Debutó como actriz en un episodio de All My Children en 1995 y luego interpretó el papel recurrente de Nikki Munson en As the World Turns, lo que le valió una nominación como Artista Adolescente Destacada en los Premios Soap Opera Digest de 1997.

[1]​ Estudió en el Convent of the Sacred Heart (Convento del Sagrado Corazón) en Nueva York y en la Professional Children's School de la misma ciudad.

En 1999 apareció en las películas The '60s, donde interpretó a una joven que protesta por la guerra de Vietnam y en The Invisible Circus, donde interpretó a Phoebe O'Connor.

Mia es la hermana de Dominic Toretto (Vin Diesel), que se enamora del guapo oficial de policía Brian O'Conner (Paul Walker).

Ese mismo año interpretó a la Guardiamarina de Segunda Clase Ali Holloway en la película Annapolis.

En esta cinta, Ali es una de las instructoras e interés romántico del Marino Jack Huard (James Franco).

Entre 2008 y el 2009 apareció como personaje recurrente en la serie Chuck, donde interpretó a la doctora Jill Roberts, novia de Chuck mientras ambos estudiaban en Stanford y que poco después se convirtió en agente.

En 2013 se estrenó la película Fast and Furious 6, en la cual interpreta nuevamente a Mia Toretto, y donde se vuelve a juntar el equipo de su hermano Dom, para desmantelar otro equipo de expertos, con la aparición de Letty nuevamente.

Tras anunciar la separación, Brewster solicitó la orden de divorcio para iniciar una relación sentimental con el empresario ejecutivo Mason Morfit, estando aún casada legalmente.