Summer Glau se consacre pendant sa jeunesse à la danse, classique essentiellement, ainsi que moderne (flamenco et tango). Mais suite à une blessure, elle se voit obligée de mettre un terme à sa carrière. C'est à ce moment où elle se tourne vers le métier d'actrice. Après quelques apparitions pour des publicités, elle décide de quitter sa région natale et vient s'installer à Los Angeles, en 2002. Elle fait ses débuts à l'écran en 2002, dans la série de Joss Whedon Angel. Elle retient l'attention de ce dernier qui l'engage pour tenir l'un des premiers rôles de sa nouvelle série, Firefly. Elle y joue River Tam, une jeune fille aux pouvoirs télépathiques et aux compétences martiales hors pairs. Le show s'arrête cependant au bout de seulement 14 épisodes. En 2005, cependant, Joss Whedon fait revivre la série, cette fois-ci sous forme de film (Serenity).
Entre temps, Summer Glau apparaît dans Les 4400. Mais c'est en 2008 que l'actrice se fera définitivement un nom, en jouant la Terminator Cameron Philips, dans la série Terminator : Les Chroniques de Sarah Connor. Tout comme dans Firefly, elle y incarne une véritable machine de guerre cachée sous un corps frêle.
En 2009, elle retrouve une nouvelle fois Joss Whedon pour la dernière série en date de ce dernier, Dollhouse.
 
La souplesse et les talents de danseuse de Summer Glau lui auront permis à de nombreuses reprises d'interpréter des personnages aux talents de combattante particulièrement notable, comme par exemple dans Serenity.