Le gustaban las películas y los programas de televisión y memorizaba escenas enteras. Así, DuVall decidió que quería ser actriz y se inscribió en el High School of the Arts de Los Angeles County. Mientras tanto, trabajaba para pagar sus propios gastos. Antes de su debut en Little Witches, trabajó en una cafetería. Se dio a conocer definitivamente con The Faculty, de Robert Rodríguez (1998), junto a Elijah Woody Josh Hartnett A ese papel le siguieron otros en Inocencia interrumpida, La mujer del astronauta, She's All That, But I'm a Cheerleader, Ghosts of Mars y Thirteen Conversations About One Thing. Tras su aparición en The Laramie Project, Identidad y la nominada al Oscar 21 gramos, DuVall realizó un papel protagonista en la serie de HBO Carnivàle, ganadora de un premio Emmy, que fue producida de 2003 a 2005. Durante este tiempo, también hizo un papel principal en Helter Skelter (por el que consiguió una nominación a los Satellite Awards) y en The Grudge, de Sam Raimi, junto a Sarah Michelle Gellar Sus últimos proyectos han sido las películas Itty Bitty Titty Committee y Zodiac de David Fincher. También ha interpretado a un personaje recurrente en la serie de televisión Héroes. Próximamente se la podrá ver junto a Anne Hathawayin Passengers. DuVall también ha aparecido en un cortometraje llamado It's Not Easy Being Green con las actrices Leisha Haileyy Carla Gallo.