Elle débute sa carrière à quinze ans, en 1986, avec Lucas de David Seltzer. Après son premier rôle dans Square Dance de Daniel Petrie, elle obtient un succès significatif avec Tim Burton dans le célèbre Beetlejuice (1988).

La jeune comédienne brille dans cette comédie macabre dans laquelle elle côtoie des stars telles que Geena Davis, Michael Keaton et Alec Baldwin. Elle reçoit ensuite un bon succès critique dans le thriller Fatal Games (1989), aux côtés de Christian Slater et de Shannen Doherty. Mais ce sont ses prestations dans Edward aux mains d'argent (toujours de Burton) et dans la comédie Les Deux Sirènes qui permettent à la jeune comédienne de montrer l’étendue de son talent.

Le couple qu’elle forme avec Johnny Depp dans le conte de fée moderne devenu culte et la nomination aux Golden Globes qu’elle décroche pour son rôle d’adolescente catholique propulsent la jeune Winona au niveau d'enfant prodige d’Hollywood.