1979年1月27日、イギリス・ロンドンに生まれる。クラシック・バイオリニストの母キャロライン（友人）とオペラ歌手の父ジュリアン・パイクの間に生まれる。 両親の仕事の関係で、幼少期はヨーロッパ各地を旅行して過ごした。 ブリストルのバドミントンスクールに通い、ナショナルユースシアターで演技を始める。
『妻と娘』（1999年）などイギリスのテレビシリーズに出演した後、ジェームズ・ボンド映画『ダイ・アナザー・デイ』（2002年）で氷河期の美女ミランダ・フロストを演じ、映画デビューを飾った（公開時、彼女はまだ23歳だった）。 デビュー作は大予算のアクション映画だったが、その後、『Promised Land』（2004）、『The Libertine』（2004）（The British Independent Film Awardsで助演女優賞を受賞）、ベネット家の娘役『Pride & Prejudice』（2005）など小規模のインディーズ映画に主に出演している。 その後、アクション映画『Doom』（2005年）、スリラー映画『Fracture』（2007年）でハリウッド映画に短期間進出したが、3本の映画で優れた演技を見せ、小規模の映画に戻った。 イギリスで舞台活動を続けながら、スパイもの『Johnny English Reborn』（2011）に出演し、SF大作『タイタンの戦い』（2012）ではアンドロメダを演じた。
2009年、数学研究者のロビ・ユニアックと交際。
そして、この度、「ジャック・リーチャー」（2012年）でトム・クルーズと共演し、アクション映画への復帰を果たした。 同作は批評家からも興行的にも大ヒットし、パイクは同作で唯一アカデミー賞主演女優賞にノミネートされた。 また、スクリーンアクターズギルド、ゴールデングローブ、BAFTAからも主演女優賞にノミネートされた。 2014年12月にユニアックとの間に次男を出産している。