Kilcher nasceu Schweigmatt, Alemanha; sua língua materna é o espanhol, apesar de também falar inglês, um pouco de alemão e de algonquiano (que ela aprendeu para seu papel em O Novo Mundo). Seu pai é um artista peruviano de ascendência Quechua/Huachipaeri. Sua mãe, Saskia Kilcher, uma ativista dos direitos humanos de ascendência suíça, nasceu no Alasca e foi criada na Suíça. O avô de Kilcher era Ray 'Pirata' Genet, um famoso escalador. Ela é prima da cantora Jewel Kilcher.

Quando tinha dois anos, seus pais se mudaram para Honolulu, Havaí, onde seu irmão, Kainoa, nasceu. Seu pai, com quem não tem contato atualmente, era muito ausente, e seus pais brigavam freqüentemente. Kilcher inspirou-se pelas danças havaianas e praticou danças africanas e havaianas, participando de mais de 250 concursos até os nove anos, ganhando dinheiro para sustentar a família. Logo depois, mudou-se com a família para a Califórnia.

Em 2002, ela apareceu em Star Search cantando "Adagio", mas ficou em segundo lugar pelo comentário de um dos jurados, Naomi Judd, que disse que ela precisava ter aulas de canto. Apesar de ter pouco treinamento dramático, foi escolhida para fazer o papel principal de Pocahontas no filme de 2005 indicado ao Academy Award O Novo Mundo. O filme foi lançado em Dezembro de 2005 e teve críticas variadas. Foi bem sucedido apesar de ter sido exibido em apenas 811 cinemas pelo mundo e tido uma bilheteria relativamente baixa.