Birthistle wurde im April 1974 in Bray geboren.[2] Sie wuchs mit dem katholischen Glauben auf und die Familie zog nach Derry in Nordirland, als sie 14 Jahre alt war. Sie machte ihren Abschluss am Foyle College.[3] Nach ihrem GCSE studierte sie Schauspiel an der Gaiety School of Acting.[1][2] Am 31. Dezember 2006 heiratete sie Raife Patrick Burchell, einen Akupunkteur. 2013 wurde der gemeinsame Sohn geboren, 2017 folgte eine Tochter.[2] Das Paar ist geschieden.[1]
Ende der 1990er Jahre gelang Birthistle durch Episoden- und Nebenrollen der Schritt zur Fernseh- und Filmschauspielerin. Ihre erste größere Serienrolle hatte sie als Maria Acklam in der Miniserie Trust. 2004 war sie im Film Just a Kiss in der Rolle der Roisin Hanlon zu sehen. 2007 übernahm sie im Film Nightwatching – Das Rembrandt-Komplott die historisch anspruchsvolle Rolle der Saskia van Uylenburgh. Zwei größere Serienrollen in Miniserien hatte sie 2006 in Die Schattenmacht – The State Within als Jane Lavery und 2008 in The Last Enemy als Eleanor Brooke inne. 2008 mimte sie in The Children die Hauptrolle der Elaine. Von 2010 bis 2011 spielte sie in sieben Episoden der Fernsehserie Strike Back die Rolle des Capt. Kate Marshall und 2011 die Rolle der Det Supt Sarah Cavendish in zehn Episoden der Fernsehserie Waking the Dead – Im Auftrag der Toten. Im selben Jahr übernahm sie die weibliche Hauptrolle der Louise im Film Wake Wood. Ab 2015 bis einschließlich 2022 verkörperte sie in 17 Episoden des Netflix-OriginalsThe Last Kingdom die Rolle der kämpferischen Nonne Hild.
1997: Glenroe (Fernsehserie)
1997: Drinking Crude
1997: All Souls’ Day
1998: The Wonderful World of Disney (Fernsehserie, Episode 1x28)
1998: The American (Fernsehfilm)
1998: Getting Close (Kurzfilm)
1999: DDU (Fernsehserie, 2 Episoden)
1999: Making Ends Meet
2000: Borstal Boy
2000: Saltwater
2000: Red Rum
2000: Coolockland (Kurzfilm)
2001: In Deep (Fernsehserie, 2 Episoden)
2002: Sunday (Fernsehfilm)
2002: Holby City (Fernsehserie, Episode 4x24)
2003: Trust (Miniserie, 6 Episoden)
2002: Mystics – Gangster, Geister und ihr Meister (Mystics)