Randall va acabar els seus estudis a l'Institut Stuyvesant l'any 1980. En aquella època, va ser companya de classe de Brian Greene, que avui dia és un físic molt conegut i divulgador científic. Quan tenia només 18 anys, Randall ja destacava molt en el món de la ciència i va guanyar el premi Westinghouse de Recerca de Talent Científic, un premi molt prestigiós per a joves científics amb talent.
Després d’acabar l’institut, va entrar a la Universitat de Harvard, on va estudiar física. L’any 1983 es va llicenciar i només quatre anys més tard, el 1987, ja havia aconseguit el seu doctorat en física de partícules. El seu tutor de doctorat va ser Howard Georgi, un físic molt important en aquest camp. Després de doctorar-se, Randall va començar a treballar com a professora i investigadora en algunes de les millors universitats del món. Va tenir llocs de professora al MIT (Institut Tecnològic de Massachusetts) i a la Universitat de Princeton. Finalment, el 2001, va tornar a Harvard, on es va convertir en la primera dona catedràtica de física teòrica de la història d’aquesta universitat.
Randall és una científica molt respectada i ha rebut molts reconeixements. Forma part de l’Acadèmia Americana de les Arts i les Ciències i de l’Acadèmia Nacional de Ciències dels Estats Units. També és Fellow de la Societat Americana de Física, un honor que només tenen els físics més importants. A finals del 2004, Randall es va convertir en la científica més citada en física teòrica dels últims cinc anys, la qual cosa vol dir que el seu treball era molt influent i altres científics el feien servir per a les seves investigacions.
A més, la seva feina ha cridat l’atenció dels mitjans de comunicació. El 2005, la revista Seed la va descriure com una "Icona de la Ciència". També va aparèixer a la revista Newsweek, que la va incloure en una llista dels físics teòrics més prometedors de la seva generació. Però això no és tot: el 2007, la revista Time la va considerar una de les 100 persones més influents del món dins la categoria de "Científics i Pensadors", gràcies a les seves investigacions sobre noves dimensions espacials.
A part de fer recerca, Randall també ha escrit llibres per explicar la ciència al públic. Els seus llibres més famosos són Warped Passages i Knocking on Heaven’s Door, que van ser reconeguts pel New York Times com dos dels "100 llibres notables" de l’any. Però Randall no només escriu llibres de ciència: també va col·laborar en una òpera! Va escriure el text per a un llibret d’òpera per invitació del compositor Hèctor Parra, inspirant-se en el seu llibre Warped Passages. Això demostra que la seva manera d’explicar la ciència pot ser interessant fins i tot per a l’art.
El 3 de maig del 2018, la Universitat Autònoma de Barcelona va anunciar que, en el marc del seu 50è aniversari, concedia el títol de Doctor Honoris Causa a Randall, juntament amb altres persones destacades com Caddy Adzuba, Marie-Paule Kieny, Jaume Plensa i Joaquim Maria Puyal.