Sossamon est née à Honolulu, à Hawaï, dans la famille de Sherry Sossamon et Todd Lindberg, et a grandi à Reno, dans le Nevada. Elle a des origines françaises, hawaïennes, néerlandaises, anglaises, irlandaises, philippines et allemandes. Après avoir terminé ses études, Shannyn a déménagé à Los Angeles, où elle comptait faire carrière comme danseuse. Elle a tourné dans plusieurs publicités télévisées et a également travaillé comme DJ dans des clubs locaux. En 1999, la directrice de casting Francine Maisler a remarqué Sossamon lors d'une fête d'anniversaire du frère de Gwyneth Paltrow, où Shannyn aidait le DJ.

Son premier rôle au cinéma a été le rôle féminin principal dans le film d'aventure « Chevalier ». Pour obtenir le rôle de Jocelyn, elle a passé cinq auditions. En 2002, Shannyn a joué la bien-aimée du personnage de Josh Hartnett dans la comédie romantique « 40 jours et 40 nuits ». Ensuite, elle a joué dans le film « Les Règles de l'attraction », réalisé par Roger Avary d'après le roman de Bret Easton Ellis. Après avoir tourné dans un autre film avec Heath Ledger, « Le Dernier des justes », Sossamon a interrompu temporairement sa carrière en raison d'une grossesse. En 2002, elle a reçu le prix « Young Hollywood ». Sossamon est revenue au cinéma en 2005, bien que ses rôles soient devenus moins importants.

L'actrice a joué le rôle du vampire Coraline Duvall dans la série « Moonlight », diffusée sur CBS en 2007-2008.

Dans les films « Wristcutters: A Love Story » (2006) et « Un appel manqué » (2008), Shannyn Sossamon a joué les rôles principaux. Elle a également joué un petit rôle dans la comédie romantique « Échange de vacances », sortie en décembre 2006. En 2007, Sossamon est apparue dans le film d'horreur « Catacombes », où jouait également la chanteuse Pink.