Hilke Altefrohne studierte Bildende Kunst an der HBK Braunschweig und Schauspiel an der Westfälischen Schauspielschule Bochum. Engagements als Schauspielerin führten sie an das Schauspiel Frankfurt, das Maxim Gorki Theater Berlin und das Schauspielhaus Zürich.
Eine lange Zusammenarbeit verbindet sie mit den Regisseuren Antú Romero Nunes, Peter Kastenmüller und Armin Petras. 2004 wurde Hilke Altefrohne von der Fachzeitschrift Theater heute zur Nachwuchsschauspielerin des Jahres gewählt. Weitere wichtige Zusammenarbeiten mit Sebastian Nübling, René Pollesch, Jorinde Dröse, Alvis Hermanis, Jaz Woodcock-Stewart und Felicitas Brucker.
Sie arbeitet zudem für Film und Fernsehen und war u. a. im «Tatortreiniger» zu sehen. 2018 zog sie mit ihrer Familie nach Berlin und gastierte am Berliner Ensemble und am Deutschen Theater Berlin. Weitere Arbeiten führten sie an das Schauspiel Köln und das Theater Basel. Mit der Spielzeit 2025/26 kehrt Hilke Altefrohne als Ensemblemitglied an das Schauspielhaus Zürich zurück.