Poppy Montgomery ist in Sydney zur Welt gekommen und ist eines von sechs Kindern. Ihre Mutter ist eine Marktforscherin und ihr Vater ein Restaurator. Ihre Eltern gaben ihr den Namen Poppy Petal Emma Elizabeth Deveraux Donahue, ihre Schwestern sind ebenfalls nach Blumen benannt. Montgomery hat die Schule gehasst und wurde aus sechs Privatschulen verwiesen bevor sie die Schulbildung mit 15 Jahren endgültig aufgab um sich der Schauspielerei zu widmen. Mit 18 Jahren wanderte die Darstellerin in die Vereinigten Staaten aus um in Los Angeles im Show-Business Fuß zu fassen.
Ehergeizig nahm sie ihre Karreire selbst in die Hand und schickte Julia Roberts' Manager jeden Tag ein Porträt von sich bis er sie unter Vertrag nahm. In den späten 1990ern erschien Poppy Montgomery dann in verschiedenen Gast- und Nebenrollen. Ihr Debüt gab 1994 sie in Silk Stalkings, war zu Gast in Party of Five und in NYPD Blue (1996), und erschien in einigen TV- und Kinofilmen in kleineren Rollen.
Ihre erste Serienrolle übernahm Montgomery in der Drama-Serie Relativity (1996), die allerdings nur von kurzer Dauer war. So war sie anschließend in der Komödie „Dead Man on Campus“ (1998), „Ganz normal verliebt“, „Lebenslänglich“ und „This Space between Us“ (alle 1999) im Kino präsent. Eine wiederkehrende Rolle in The Beat (2000) folgte. Doch der große Durchbruch ereignete sich erst als Poppy Montgomery in „Blond“ (2001) Marilyn Monroe porträtierte.
Nach einer kurzlebigen Serienrolle in Glory Days (2002) wurde Poppy Montgomery unter 100 Bewerberinnen für die Rolle der Samantha Spade in Without A Trace (2002-2009) ausgewählt, die sie weltweit berühmt machte. Während dieser Zeit übernahm sie nur sporadisch andere Rollen, so besispielsweise in „50 Ways to leave your Lover“ (2004) oder in der Romanze „Familie auf Umwegen“ (2004). Danach erschien die Schauspielerin in TV-Spielfilmen, unter anderem als Joanne K. Rowling in „Magic Beyond Words - Die zauberhafte Geschichte der J.K. Rowling“ (2011).
Von 2011 bis 2016 war Poppy Montgomery als Carrie Wells in der Crime-Serie Unforgettable zu sehen, in der sie eine Beraterin der New Yorker Polizei spielt, die ein perfektes Gedächtnis besitzt.
Im Sommer 2019 ist sie in der US-Serie Reef Break in der Rolle der Cat zu sehen.
Poppy Montgomery hat einen gemeinsamen Sohn, Jackson Phillip Deveraux Montgomery Kaufman (*23.Dezember 2007), mit dem Schauspieler Adam Kaufman. Die beiden lernten sich 2005 am Set ihres gemeinsamen Films „Between“ kennen und waren bis 2011 liiert.
Seit Ende 2011 ist sie mit Shawn Sanford liiert, die beiden heirateten 2014 heimlich in Disneyland. Sanford verdient sein Geld als Manager bei der Softwarefirma Microsoft. Mit ihm hieß sie im April 2013 ihr zweites Kind willkommen, Tochter Violet Grace. Am 11. November 2014 wurde Sohn Gus Monroe geboren.