Nata a Yakima, nello stato di Washington, debutta nel mondo della moda nei primi anni settanta come assistente del dipartimento costumi per opere teatrali e cinematografiche. A partire dal 1984 diviene costumista in proprio, lavorando nella maggior parte dei film degli anni ottanta–novanta, tra i quali Una vedova allegra… ma non troppo (1988), Edward mani di forbice (1990) e Piccole donne (1994). La sua fama la spingerà a collaborare anche con registi del calibro di Tim Burton e Jonathan Demme, oltre che con le società della Ringling Bros e Barnum & Bailey Circus.

La sua prima candidatura all’Oscar arriva nel 1995 grazie ai costumi di Piccole donne, seguita nel 1999 da quella per Beloved, regia di Jonathan Demme. Nel 2003ottiene finalmente la prima agognata statuetta per il lavoro svolto in Chicago, ottenendo due anni dopo un’ennesima candidatura e nel 2006 un altro Oscar per gli eccellenti costumi realizzati per il film Memorie di una geisha, regia di Rob Marshall. Il terzo Oscar le viene dato alla cerimonia del 2011, per i costumi di Alice in Wonderland diretto da Tim Burton. Ai Premi Oscar 2017 vince la quarta statuetta nella stessa categoria per il film Animali fantastici e dove trovarli.

Atwood ha realizzato vari costumi anche per due music video della band statunitense My Chemical Romance, Welcome to the Black Parade e Famous Last Words.

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