Alexie Gilmore nació en Manhattan y se crió allí hasta que su familia se mudó a los suburbios de Nueva Jersey cuando tenía 10 años de edad. Inspirada por un potente departamento de teatro en el Instituto Tenafly, decidió graduarse en teatro en la Universidad DeSales de Pensilvania.

Gilmore comenzó haciendo numerosos anuncios antes de meterse en el cine y la televisión. Protagonizó como personaje habitual la serie dramática de Fox "New Amsterdam" dirigida por Lasse Hallstrom ("Las normas de la casa de la sidra"). Entre sus otros títulos de crédito en televisión están "Equipo de rescate", "Ley y orden: Acción criminal", "Nurse Jackie", un polifacético papel en "Sin cita previa", "Anatomía de "Grey", "House" y muchos más.

Por el primer papel protagonista de Gilmore en una película, "Fine Love" de Erica Dunton, John Anderson escribió en la revista Variety: "Gilmore es magnética". Desde entonces, ha actuado junto a Robin Williams en la película de Bobcat Goldthwai "El mejor padre del mundo", que se estrenó en el Festival de Cine de Sundance de 2009. También colaboró de Nuevo con Goldthwait en "God Bless America", y está trabajando últimamente con ese director en otra película llamada "Willow Creek". También protagonizó como pareja sentimental de Matthew McConaughey la película "Surfer Dude", "Mercy" con Scott Caan y que se estrenó en Cinevegas 2009, y "Tentación en Manhattan" con Jane Lynch y que se estrenó en el Festival de Cine de Fort Lauderdale de 2008, valiéndole el premio "Estrella en ascenso". Entre sus otros títulos de crédito están "Definitivamente, quizás", "El diablo viste de Prada" y "Las niñeras". Con su estreno previsto para finales de este año, Gilmore aparece en "Fairhaven" con Chris Messina, la cual se estrenó en el Festival de Cine de Tribeca de 2012.