De Matteo, una italoamericana, nació en Queens, Nueva York, y es hija de Donna, una dramaturga y profesora, y Albert De Matteo, un fabricante de muebles. Creció en una familia católica. Tras graduarse en la prestigiosa Loyola School de Nueva York, estudió en la Tisch School of the Arts de la Universidad de Nueva York, con la intención de convertirse en directora y no en actriz.

El papel de de Matteo en Los Soprano fue uno de sus primeros, ayudándola a lanzar su carrera. Ha aparecido en varias películas como Swordfish, Deuces Wild, The Perfect You y el remake en 2005 de la película de 1976 de John Carpenter, Assault on Precinct 13 (Asalto al distrito 13). También ha interpretado a la hermana de Joey Tribbiani, Gina, en el spin-off de Friends, Joey.

En 2004, de Matteo ganó un Emmy como mejor actriz de reparto (drama) por su papel de Adriana en Los Soprano. También fue nominada para los Globos de Oro de ese año por el mismo papel.

Ha alcanzado las posiciones #42 y #56 de lista "Hot 100 Women" de la revista Maxim en 2001 y 2002, respectivamente.

Vive en la ciudad de Nueva York, donde también regentaba el ya cerrado Filth Mart, una tienda de ropa en el East Village, con su mejor amigo y ex-novio, Michael Sportes. En una edición de febrero de 2005 del periódico británico The Daily Sport, de Matteo declaró que es bisexual, pero que no admitiría haber estado con una mujer. Habla con bastante fluidez tanto el castellano como el italiano.

Actualmente sale con Shooter Jennings, hijo de la leyenda de la música country, Waylon Jennings. El 28 de noviembre de 2007, la pareja tuvo su primer hijo, una niña llamada Alabama Gypsy Rose.