En 2008 participó en la serie Terminator: The Sarah Connor Chronicles, interpretando el personaje de Cameron Phillips.

Tomó clases de baile desde joven —hecho que hizo que fuese su madre quien la escolarizase durante un período de su infancia—, convirtiéndose en bailarina profesional desde los doce años.

Joss Whedon, creador de la serie, se fijó en ella para que interpretase a un nuevo personaje en su siguiente proyecto, Firefly, donde encarnó a River Tam, una misteriosa joven víctima de experimentos del gobierno.

Glau se ha entrenado en múltiples formas de artes marciales, incluyendo kung fu y kickboxing.

En enero de 2015 la pareja tuvo a su primera hija, Milena Jo.