Lena Dunham nació en Nueva York.^[7]​ Su padre, Carroll Dunham, es pintor pop art y su madre, Laurie Simmons, es fotógrafa y diseñadora.^[8]​^[9]​ El padre de Lena es protestante y, según ella, descendiente de los tripulantes del Mayflower;^[10]​^[11]​ su madre es judía.^[12]​^[13]​ Tiene una hermana menor, Grace, actriz y estudiante en la Universidad Brown. Grace Dunham apareció en la primera película de Lena Dunham Tiny Furniture.^[14]​ Cuando eran pequeñas, ambas hermanas tuvieron como cuidadoras a las fotógrafas Sherri Zuckerman y Catherine McGann.

Lena fue al colegio de Santa Ana en Brooklyn, Nueva York. Allí conoció a Jemima Kirke, actriz que ha intervenido tanto en Tiny Furniture como en Girls. Lena se licenció en escritura creativa en 2008, en Oberlin College.^[15]​

Mientras estudiaba en Oberlin College, Dunham produjo varios cortometrajes independientes que fueron subidos a YouTube y formarían parte posteriormente de los extras de DVD de su ópera prima. Además, destacó su papel como actriz y creadora en series web hasta el lanzamiento de su primera película cinematográfica en 2010, dirigida por ella, Tiny Furniture, la cual ganó el premio a mejor guion original de "South by Southwest Music and Media Conference".^[16]​ Además de dirigir esta película, Lena interpreta el papel de Aura.^[9]​Por su trabajo en la película, Dunham ganó un Premio Independent Spirit al mejor guion original.

Tras el éxito de Tiny Furniture, HBO llevó a cabo con Dunham un acuerdo que negociaba el desarrollo de un programa para el canal de pago. Posteriormente, el 15 de abril de 2012 se estrenaría la serie creada por Lena Dunham Girls en la cadena estadounidense HBO.^[17]​ Gracias a esta serie, Lena ha sido nominada en diversas categorías a los Premios Primetime Emmy.

Lena hizo un cameo en la película Supporting Characters.^[18]​

El 8 de octubre de 2012, Lena firmó un contrato de 3.5 millones de dólares con Random House para publicar su primer libro, un ensayo titulado Not That Kind of Girl: A Young Woman Tells You What She's Learned (No ese tipo de chica: Una joven te cuenta lo que ha aprendido).^[19]​

Lena participó en la campaña electoral del presidente de Estados Unidos Barack Obama, con un vídeo promocionando su reelección. El vídeo es un monólogo en el que, ímplicitamente, compara ir a votar por primera vez con perder la virginidad.^[20]​ La cadena de televisión Fox News, fue portavoz de varios sectores mediáticos criticando este vídeo como "grosero e inapropiado".^[21]​

En el 2015 participa en el video musical Bad Blood de Taylor Swift representando al personaje "Lucky Fiori".

En 2012, Dunham comenzó a salir con Jack Antonoff, el guitarrista principal de la banda Fun y el fundador de Bleachers. Dunham y Antonoff permanecieron juntos hasta diciembre de 2017, posteriormente anunciaron que la separación había sido "amistosa".^[22]​^[23]​ Dunham coemnzó a salir con el músico Luis Felber en enero de 2021.^[24]​^[25]​ Meses más tarde, en septiembre, se casarón en una ceremonia judía.^[26]​

A Dunham le diagnosticaron un trastorno obsesivo-compulsivo cuando era pequeña. A día de hoy sigue tomando una reducida dosis de un antidepresivo para aliviar su ansiedad.^[27]​^[28]​ En 2018, entró en rehabilitación para curarse de su adicción a la benzodiazepina.^[29]​ En abril de 2020, celebró sus dos años de sobriedad.^[30]​

En febrero de 2018, escribió un ensayo para Vogue sobre su decisión de someterse a una histerectomía, debido a una endometriosis.^[31]​

• Lena Dunham en Internet Movie Database (en inglés).
• New York Magazine on Girls
• Criterion Collection Essay "Tiny Furniture Out There" by Phillip Lopate
• Lena Dunham: la joven osada de Hollywood en Revista Diners