Flávia Alessandra Martins da Costa nasceu em Arraial do Cabo, região dos lagos do Rio de Janeiro, no dia 7 de junho de 1974. Filha da professora Rachel de Melo Martins Lima da Costa e do comandante da marinha Hélio Lima da Costa, Flávia tem dois irmãos mais velhos, Keila e Hélio.
Aos sete anos ela começou a estudar teatro e participou das primeiras edições das oficinas de atores da Globo, quando fez figuração em algumas produções. A sorte começou a mudar em 1989, quando ela participou de um quadro do Domingão do Faustão que escolheria uma jovem atriz para participar da novela Top Model.
Na ocasião, Flávia concorreu com outras duas novatas, Adriana Esteves e Gabriela Duarte, e levou a melhor. Foi a escolhida pelo público e pelos jurados e fez sua estreia no folhetim de Walter Negrão e Antonio Calmon. A atriz só retornou à TV depois de quatro anos, em participações nas tramas Sonho Meu e Pátria Minha.
Em 1995, integrou o elenco de História de Amor, como Soninha. Mas foi somente dois anos depois, em A Indomada, que a atriz realmente teve seu trabalho reconhecido. Na história de Aguinaldo Silva ela deu vida à tímida Dorothy e gravou uma sequência em que a personagem tentava o suicídio.
A partir daí, Flávia assinou seu primeiro contrato mais longo com a Globo e, em 1998 interpretou a Lívia, em Meu Bem Querer. Em 2001, ela fez sua primeira protagonista no horário nobre. Mais uma vez a personagem se chamava Lívia, a mocinha de Porto dos Milagres, que fazia par romântico com Marcos Palmeira (Guma).
Um ano depois, a atriz estava de volta à TV como protagonista das 19h, em O Beijo do Vampiro, e novamente interpretando uma Lívia, a terceira seguida de sua carreira.
A primeira vilã da atriz foi a psicopata Cristina em Alma Gêmea (2015). A atuação de Flávia na história de Walcyr Carrasco foi intensa e muito elogiada. Apesar de muito má, o público adorava as maluquices da personagem, que até hoje é um dos pontos altos da trajetória da artista. No ano seguinte, mostrou um lado mais cômico como Vanessa em Pé na Jaca.
Em 2007, Flávia Alessandra trabalhou pela terceira vez em uma trama de Aguinaldo Silva. Em Duas Caras, ela apareceu em cenas sensuais como a dançarina de pole dance Alzira. A direção sugeriu que fosse usado uma dublê nas cenas de dança, mas a atriz fez questão de aprender a modalidade e estrelar as sequências.
Dois anos mais tarde, a atriz voltou a interpretar uma mocinha na faixa das 19h, a atrevida Dafne em Caras & Bocas, de Walcyr Carrasco. Em 2011, esteve em mais uma trama do autor, Morde & Assopra, dessa vez em dose dupla, como Naomi e Naomi robô. A parceria com Walcyr se repetiu em 2016, quando Flávia interpretou mais uma vilã, a ambiciosa Sandra em Eta Mundo Bom.
Em 2019 a atriz completou 30 anos de carreira na Globo e está no ar como a fogosa dona de casa que sonha em ser artista de cinema, Rita de Cássia em O Sétimo Guardião, mais uma de Aguinaldo Silva.
No cinema, Flávia fez sua estreia com uma participação no longa Boca de Ouro em 1990, dirigido por Walter Avancini. Depois disso, só retomou às telonas em 2003. Entre os filmes dos quais participou estão: O Homem que Desafiou o Diabo (2007), De Pernas Para o Ar (2010), Nelson Ninguém (2013), Doidas e Santas (2017), Polícia Federal: A Lei é Para Todos (2017) e O Amor dá Trabalho (2018).
Ela também atuou como dubladora em duas animações: Selvagem (2006), emprestando a voz para Bridget, e Os Incríveis 2, dublando a personagem Evelyn Deavor.
Aos 17 anos, Flávia prestou vestibular e começou a fazer dois cursos ao mesmo tempo, Jornalismo e Direito. Por três anos, ela se dividiu entre os estudos das duas carreiras e participações esporádicas nas novelas da Globo. No final, optou pelo Direito e se formou na época em que estava no ar como a Doroty em A Indomada.
Determinada a abrir um escritório com uma amiga, a atriz fez a prova da OAB e tirou sua carteirinha. A ideia era se especializar em Direitos Autorais, mas justamente neste período foi contratada definitivamente pela Globo.
Flavia Alessandra foi casada por dez anos com ator e diretor Marcos Paulo (1951-2012). Os dois ficaram juntos de 1992 a 2002 e tiveram uma filha, Giulia, que nasceu em 2000. Em 2006, a atriz conheceu Otaviano Costa durante o trabalho em um cruzeiro para a Itália. Eles se casaram seis meses após o início do namoro e têm uma filha, Olívia, nascida em 2010.
