Je dcerou amerického kytaristy Isaaca Guillory, který se narodil v Guantánamu námořní základně na Kubě. Její matka je Tina Thompsonová, anglický modelka.

Sienna Guillory studovala na Gresham´s school. Předtím, než začala hrát na velké obrazovce, studovala na Pařížské dramaturgické škole. Když jí bylo 20 let, začala pracovat jako modelka. Guillory pracovala pro společnosti Armani, Dolce & Gabbana, Burberry a Paul Smith. Také se stala tváří parfému Hugo Boss. Když přestala pracovat jako modelka, zaměřila se na herectví.

V 16 letech získala svou první hereckou práci v britské televizi. Nějaký čas hrála pouze ve vedlejších rolích. V roce 2004 se Guillory objevila ve filmu Resident Evil 2: Apocalypse s Milou Jovovičovou, hrála roli Jill Valentine.

V červenci 1997 se Guillory vdala za herce Nicka Morana, ale pár se rozvedl v roce 2000. V současné době je manželkou herce Enzy Cilenti.