Murino urodziła się w Cagliari na Sardynii i początkowo chciała zostać lekarzem. W konkursie Miss Włoch w 1996 roku zajęła czwarte miejsce. Po przeprowadzce do Londynu zakochała się w teatrze i aktorstwie, oszczędzając co tydzień, żeby obejrzeć coś w teatrze na West Endzie. Po powrocie do Włoch, w latach 1999-2000 studiowała dramaturgię w Scuola di Cinema e Teatro prowadzonej przez Francescę De Sapio. Następnie występowała w przedstawieniach teatralnych Ryszarda III i sztukach włoskojęzycznych. Rozpoczęła karierę w telewizji w 2002 roku, a międzynarodową sławę zyskała dzięki roli Solange Dimitrios w adaptacji powieści o Jamesie Bondzie Casino Royale z 2006 roku. Na początku 2011 roku zagrała wraz z Rufusem Sewellem w serialu Zen w BBC One. Od tego czasu Zen został odwołany, chociaż jest emitowany w USA w programie Masterpiece Mystery. W 2011 roku pojawiła się także w teledysku Boba Sinclara „Far l`Amore”. W 2013 roku zagrała Penelopę, żonę Ulissesa w telewizyjnej produkcji Odyseusz.