Figlia di gestori di un bar e ultima di tre sorelle, esordisce giovanissima, a sette anni, nella pubblicità della Fiat 127. Il suo esordio in tv risale al 1982 in Colomba, regia di Giacomo Battiato, dopo essere stata notata da un agente a una sfilata per bambini.[1] Nel 1985 debutta nel cinema diretta da Damiano Damiani con il filmPizza Connection, dove ha il suo primo ruolo da protagonista. Alcuni anni dopo interpreta il ruolo di Ester Rasi nella serie televisiva La piovra 4 (1989), regia di Luigi Perelli.
Nel 2007 ritorna in televisione con la miniserie Il capo dei capi, in onda su Canale 5, e dal 2009 al 2012 è protagonista, sempre per Canale 5, della serie TV Squadra antimafia - Palermo oggi, con Giulia Michelini: Simona interpreta la vicequestore Claudia Mares che per i suoi ideali di giustizia sarà perennemente in lotta contro la mafia.
Interpreta il commissario Viola Mantovani in Le mani dentro la città, fiction Mediaset ambientata a Milano e riguardante le infiltrazioni della 'ndrangheta in Lombardia. Nel settembre 2012 in un'intervista ha dichiarato che "la gente ormai per strada non mi chiama Simona ma Mares. La sfida sarà riuscire a farla dimenticare, ma quello che potevo dare l'ho dato. Con questa nuova fiction ho chiuso il mio ciclo sociale. Piuttosto che fossilizzarmi in un personaggio, mi fermo. Ho tre figli, non ho paura di stare senza far nulla. In futuro, dopo tanto impegno vorrei qualcosa di leggero. Sarà l'ultima volta che tratto questi temi. Altrimenti, tanto vale arruolarmi in polizia".[2]
Dopo aver preso parte ad un episodio di Don Matteo, nel 2021 e nel 2024 ha interpretato il ruolo di Teresa De Santis in Storia di una famiglia perbene, serie in cui ha fatto da comparsa anche suo figlio Pablo Alberto. Nel 2022 ha vestito i panni di Claudia Foresi nella serie Viola come il mare.
Vita privata
Dal 1998 al 2009 ha avuto una relazione con il cantautore Daniele Silvestri, da cui ha avuto due figli, Pablo Alberto e Santiago Ramon, nati rispettivamente nel 2002 e nel 2003.
Nel novembre 2011 è nato il suo terzo figlio, Levon Axel, avuto dal compagno Roberto Libertini. Nel dicembre 2013 la coppia si è separata.[3] Simona Cavallari è stata buddhista.
