Миша Бартон родилась в Лондоне 24 января 1986 года в семье англичанина и ирландки. Вскоре её отец получил работу в другой стране, и, когда девочке было 5 лет, семья перебралась в Нью-Йорк. На лето Мишу и её сестру отдали в детский лагерь. В лагере устраивали конкурс на чтение монолога, и Миша Энн Бартон прекрасно справилась с заданием, прочитав свой доклад о черепахах. Одним из зрителей был человек, занимающийся поиском талантов, который предложил ей попробовать себя в качестве актрисы.

Карьера Миши началась с небольших ролей во внебродвейских постановках. В 1995 году Бартон успешно прошла кастинг на одну из главных ролей в спектакле «Славяне!» (англ. Slavs!). Ей пришлось научиться говорить с русским акцентом и сыграть в дуэте с обладательницей премии «Оскар» Марисой Томей. Позднее Миша участвовала в таких постановках как Twelve Dreams, Where the Truth Lies и One Flea Spare.

После успешного дебюта на театральной сцене Миша Бартон начала работу на телевидении в сериале «Все мои дети» (англ. All My Children). Параллельно стартовала её модельная карьера в агентстве «Ford». В 1995 году Бартон получила роль в короткометражном фильме «Polio Water» об эпидемии полиомиелита в 1950-х гг. В 1996 сыграла роль в картине «Вокзал Нью-Йорка» (англ. New York Crossing). Весьма успешным для неё было участие в драме «Луговые собачки» (англ. Lawn Dogs), где её партнером стал Сэм Рокуэлл. Затем последовали такие фильмы как «Щенки» и «Ноттинг Хилл», а также исполнение роли призрака в мистической драме «Шестое чувство».

С 2000 года актриса сыграла в таких фильмах как «Детям до шестнадцати», где снималась в компании Дрю Бэрримор и Дженнифер Джейсон Ли, триллер «Паранойя» (англ. Paranoid) и драмы «Вас не догонят» и «Колледж» (англ. Tart).

В 2003 году Мише Бартон была предложена роль в триллере «Октан» (англ. Octane). Но настоящий успех она завоевала после выхода сериала студии «Fox» «Округ Орендж». В переводе телеканала «СТС» название сериала звучало как «Одинокие Сердца» и было показано только два сезона из четырёх.

В 2006 году Миша Бартон снялась в фильме «Оргазм в Огайо» (англ. The Oh in Ohio). В 2007 получила роль в драме «Замыкая круг» (англ. Closing the Ring), рассказывающей о любви в годы войны 1941—1945 гг., а также сыграла роль Пампинеи в экранизации романа Джованни Боккаччо «Декамерон». Фильм был выпущен под названием «Территория девственниц».

В 2007 году приняла участие в русско-американском проекте «Ты и я». Её героиня — 16-летняя девочка-фанатка скандальной группы «Тату», приехавшая в Москву ради встречи со своими кумирами.

В настоящее время актриса занята в нескольких проектах: «Крутая наука» (англ. The Science of Cool), в драме «Upstate» и в телесериале «Красивая жизнь» (англ. The Beautiful Life), продюсером которого выступил актёр Эштон Катчер.