Линдси Фонсека родилась 7 января 1987 года в калифорнийском городе Окленд. Ее отец Джеймс Виктор имел португальские корни, а мать Лима Бергман была еврейкой с немецко-ирландским происхождением. После развода родителей у Линдси появился отчим – адвокат Рид Дворкин и младшая сестра Ханна. Большую часть детства Фонсека провела в городе Аламида (Калифорния), но после замужества матери переехала вместе с ней в Окленд, а затем в Морагу. В Сан-Франциско девочку заметил менеджер по талантам: как итог, тринадцатилетняя Линдси в середине учебного года отправилась в Лос-Анджелес, чтобы впервые принять участие в съемках фильма. Уже в следующем году юная Фонсека получила роль Коллин Карлтон в телесериале «Молодые и дерзкие». Проект оказался качественным прорывом в карьере девушки и обеспечил ее трехлетней работой по контракту. Вскоре и мать, и отчим Линдси также поселились в Лос-Анджелесе.
К моменту окончания контракта актриса уже имела в своем резерве несколько гостевых ролей, участие в телефильмах, пилотных выпусках и независимых лентах. В 2005 году Фонсека пробилась в продолжительный комедийный проект канала CBS «Как я встретил вашу маму», завоевавший всемирную популярность. Девушка прошла кастинг на роль дочери главного героя Теда Мосби. Сериал удостоился шести премий «Эмми», а также получил награды «Teen Choice Awards», «Выбор телевизионных критиков», «Выбор народа». Параллельно у Фонсеки проходили съемки в семейном фильме Стивена Робмена «Без их согласия». Ее следующей работой стала главная женская роль в драме Тома Маклафлина «Кибер-обольщение: Его секретная жизнь». Насыщенный 2005 год завершился для актрисы фильмом Майкла Свитцера «Обыкновенные чудеса», где она предстала в образе шестнадцатилетней правонарушительницы, которой по стечению обстоятельств приходится принять опекунство судьи, ведущей ее дела.
Следующий, 2006 год ознаменовался для Линдси такими проектами, как драма Стива Майнера «Скарлетт» и триллер Николаса Петерсона «Интеллектуальная собственность». Затем Фонсека появилась в ряде успешных сериалов: «Фил из Будущего», «C.S.I.: Место преступления», «Герои», «Доктор Хаус». В 2007 году юная актриса присоединилась к съемочной группе телепроекта «Отчаянные домохозяйки», где исполнила роль Дилан Мейфеир, дочери Кэтрин. В 2010-м началась продолжительная работа актрисы над телесериалом «Никита», основанным на французском полнометражном фильме Люка Бессона «Ее звали Никита». В том же году на большие экраны вышел эксцентричный комедийный боевик о супергероях «Пипец», снятый по мотивам комиксов Марка Милларда и Джона Ромиты-младшего. Главные роли исполнили Николас Кейдж и Аарон Джонсон. В 2013 году состоялась премьера сиквела картины «Пипец 2», где Фонсека также появилась в образе Кэти Дома.
