Sossamon nació en Honolulu, Hawái, en el seno de la familia formada por Sherry Sossamon y Todd Lindberg, y creció en Reno, Nevada. Tiene raíces francesas, hawaianas, neerlandesas, inglesas, irlandesas, filipinas y alemanas. Tras terminar la escuela, Shannyn se mudó a Los Ángeles, donde pretendía hacer carrera como bailarina. Apareció en varios anuncios televisivos y también trabajó como DJ en clubes locales. En 1999, la directora de casting Francine Maisler se fijó en Sossamon en una fiesta de cumpleaños del hermano de Gwyneth Paltrow, donde Shannyn ayudaba al DJ.

Su primer papel en el cine fue el protagonista femenino en la película de aventuras «El destino de un caballero». Para conseguir el papel de Jocelyn pasó cinco audiciones. En 2002, Shannyn interpretó a la enamorada del personaje de Josh Hartnett en la comedia romántica «40 días y 40 noches». Después de eso, apareció en la película «Las reglas del sexo», dirigida por Roger Avary a partir de la novela de Bret Easton Ellis. Tras participar en otra película junto a Heath Ledger, «El devorador de pecados», Sossamon dejó de rodar temporalmente debido a su embarazo. En 2002 recibió el premio «Joven Hollywood». Sossamon regresó al cine en 2005, aunque sus papeles se volvieron menos destacados.

La actriz interpretó el papel de la vampira Coraline Duvall en la serie «Moonlight», que se emitió en la cadena CBS entre 2007 y 2008.

En las películas «Wristcutters: A Love Story» (2006) y «Llamada perdida» (2008), Shannyn Sossamon protagonizó los papeles principales. También tuvo un pequeño papel en la comedia romántica «Vacaciones por intercambio», estrenada en diciembre de 2006. En 2007, Sossamon apareció en la película de terror «Catacumbas», en la que también actuaba la cantante Pink.