Mireille Enos urodziła się w Houston w Teksasie jako czwarta spośród pięciorga rodzeństwa. Jej ojciec jest Amerykaninem, a matka Francuzką. Ma także szkockie korzenie. Ukończyła The High School for the Performing and Visual Arts w Houston, a następnie studiowała na Uniwersytecie Brighama Younga. Na małym ekranie po raz pierwszy pojawiła się w dramacie telewizyjnym ABC Terapia wstrząsowa (Without Consent, 1994) z Jennie Garth. Wystąpiła potem gościnnie w serialu Seks w wielkim mieście (1999). 4 stycznia 2008 poślubiła aktora Alana Rucka. Mają dwójkę dzieci: córkę Vesper Vivianne (ur. 23 września 2010) i syna Larkina Zoueya (ur. 23 lipca 2014). Jej dalekim kuzynem jest aktor John Enos III. Jest członkinią Kościoła Jezusa Chrystusa Świętych w Dniach Ostatnich.