Nasce a Napoli il 22 ottobre del 1966, da padre italiano e madre greca. Dopo la separazione dei genitori vive ad Atene con la madre e lì inizia a lavorare come modella, appena diciassettenne torna in Italia e debutta nel film di Lina Wertmüller "Scherzo del destino in agguato dietro l'angolo come un brigante da strada" del 1983, nei panni della figlia di Ugo Tognazzi. A 19 anni ha già il suo primo ruolo da protagonista in "Piccoli fuochi"(1985), diretto dal regista Peter Del Monte, suo compagno per molti anni.
L'anno dopo vince la Coppa Volpi come migliore attrice con "Storia d'amore"(1986) di Citto Maselli, premio che la fa conoscere a livello internazionale. A soli ventidue anni l'attrice si trasferisce a Hollywood per seguire il fidanzato, Peter Wee Herman, un attore di Puerto Rico, che la fa scritturare in un suo nuovo film, "La mia vita picchiatella" (1988) di Randal Kleiser, in una scena i due si baciano per circa tre minuti. Quasi contemporaneamente viene scelta come partner di Tom Cruise e Dustin Offman per il film "Rain Man" (1988) di Barry Levinson.
Nel 1991 torna in Italia per girare un altro film di Peter Del Monte, "Tracce di vita amorosa", una pellicola che non ha molto successo. Nel 1992 l'attrice gira in Messico "Puerto Escondido" di Gabriele Salvatores. Divisa tra l'America e l'Italia, a Roma vive col suo compagno Fabrizio Bentivoglio insieme al quale ha recitato in "Come due coccodrilli" (1995) di Giacomo Campiotti. La sua voce nasale non è molto accettata in Italia, per cui a volte è stata doppiata. Una curiosità è che proprio per la sua inflessione italiana, la Golino è stata scartata per il ruolo affidato poi a Julia Roberts nel film "Pretty Woman". Nonostante il carattere malinconico, l'attrice è conosciuta più per i suoi ruoli comici che per quelli drammatici, soprattutto in America, dove è popolare per la serie degli "Hot Shots" di Jim Abrahams. Anche se ha avuto l'occasione di essere diretta da Sean Penn, John Carpenter e di recitare a fianco di Gary Oldman e Nicolas Cage, è stato però il cinema italiano ad offrirle una parte da protagonista nel film di Silvio Soldini, "Le acrobate" (1997).
Nel 2001 interpreta la traduttrice Anna nel film "L' Inverno" presentato al festival di Berlino 2002.
Un nuovo successo arriva con "Respiro"(2002) di Emanuele Crialese che fa ottenere alla Golino il Nastro d'Argento come migliore attrice, e il Gran Premio alla Settimana della Critica del Festival di Cannes.
Nel 2004 ha recitato in "36 - Quai Des Orfevres" accanto a Daniel Auteuil e Gerard Depardieu, e ultimamente ha lavorato nelle pellicole "Texas" (2005) e "La Guerra di Mario" (2005).
E' nel cast di "Lezioni di Volo" (2006) e del noir "La ragazza del lago" (2007).
Attualmente è fidanzata con l'attore Riccardo Scamarcio.
Ha lavorato nel film "The Dust of Time" (2009) di Theo Angelopoulos.