Neurochirurgienne brillante et sœur cadette de Derek Shepherd, Amelia débarque au Grey Sloan après son passage par Private Practice, le spin-off de Shonda Rhimes. Son arc tourne autour de sa lutte contre l'addiction aux opiacés, héritée d'un drame familial, et de son obsession à réussir des opérations cérébrales que personne d'autre n'ose tenter. Elle reprend la direction du service de neurochirurgie laissé vacant, et sa relation chaotique avec Owen Hunt structure une bonne partie de ses storylines.
Caterina Scorsone joue Amelia depuis 2010, d'abord dans Private Practice puis dans Grey's Anatomy à partir de la saison 11. Actrice canadienne, elle avait été aperçue plus jeune dans Tin Man, mini-série Syfy diffusée en 2007. Elle pilote particulièrement bien les scènes médicales techniques, où sa diction rapide colle au registre du show.