Lyndsy Fonseca se interesó por la actuación desde niña, lo que la llevó a completar un curso en la Barbizon Modeling and Acting School, de San Francisco y a trasladarse, con su familia, a Los Ángeles cuando cumplió 12 años. Poco tiempo después, obtuvo su primer papel en televisión, como Collie Carlton en la telenovela The Young and the Restless (2001-2005), lo que le abrió las puertas a papeles en series como How I Met Your Mother (2005-2014), Big Love (2006-2009) y Esposas desesperadas (2007-2009). De 2010 a 2013, Fonseca interpretó a Alex Udinov en Nikita de The CW, y de 2015 a 2016 interpretó a Angie Martinelli en Agente Carter. También apareció en una variedad de papeles cinematográficos, incluyendo Jenny en Un Loco Viaje al Pasado (2010) y Katie Deauxma en Kick-Ass (2010) y su secuela de 2013. En 2021, forma parte del elenco principal de Socios y Sabuesos, serie protagonizada por Josh Peck para Disney+, remake de la cinta de 1989 protagonizada por Tom Hanks.