Premier prix d'art dramatique du conservatoire national d'Orléans et diplômée de l'Ecole supérieur d'art dramatique de Paris, Audrey Dana part jouer deux ans à New York avec sa troupe avant de rentrer en France où, dès son retour, elle enchaîne les apparitions sur les planches parisiennes. On peut notamment l'apercevoir dans des pièces comme Le carton (2001), La soeur du grec (2005) ou Revoir Amélie (2008) mais surtout dans Nos amis les humains (2004) où Bernard Werber adapte pour le théâtre son propre roman homonyme.

Cette rencontre avec l'écrivain/metteur en scène s'avérera décisive dans la carrière cinématographique de la jeune comédienne, puisque au moment d'enfiler sa nouvelle casquette de réalisateur avec Nos amis les Terriens (2006), Bernard Werber ne manque pas d'offrir un rôle de choix à Audrey Dana. C'est à l'occasion du tournage de ce film que Claude Lelouch, impressionné par sa performance, décide de l'engager pour incarner Huguette dans Roman de gare (2007).

Grâce à ce film, Audrey Dana acquiert une certaine reconnaissance et sera nommée aux César 2008 dans la catégorie Meilleur Espoir Féminin avant de remporter le Prix Romy Schneider, la même année. Elle s'essaye ensuite à la comédie avec Ce soir, je dors chez toi (2007), La Différence, c'est que c'est pas pareil (2009) ou Tellement proches (2009) et se voit offrir le rôle de Catherine, l'ex-femme de Vincent Lindon dans le bouleversant Welcome (2009) de Philippe Lioret.

Parallèlement à son rôle de comédienne, Audrey Dana, exerce également celui de scénariste et de réalisatrice. Elle écrit et réalise deux court-métrages 5 à 7 (2008) et La Trotteuse (id.) et envisage de tourner un long métrage: Love, love, love. Elle continue son ascension d'actrice en 2010 et campe l'épouse extravertie de Stefano Accorsi dans Nous trois face à leurs voisins Emmanuelle Béart et Jacques Gamblin, avant de voler 600 kilos d'or pur avec son complice Clovis Cornillac dans une aventure au fin fond de la forêt guyanienne.

Très prolifique, Audrey Dana est, en 2010, à l'affiche du Bruit des glaçons de Bertrand Blier, avant de retrouver Claude Lelouch, pour lequel elle joue les héroïnes modernes et romantiques, dans sa fresque sentimentale, Ces amours-là. Elle poursuit sa carrière de comédienne avec les comédies Denis (2012) et Torpédo (2013). C'est en 2014 qu'elle passe derrière la caméra pour réaliser son premier long-métrage Sous les jupes des filles dans lequel elle s'affiche aux côtés d'un casting 5 étoiles très féminin (Isabelle Adjani, Vanessa Paradis, Laetitia Casta, etc.).

Privilégiant la comédie (Pension complète, Knock, La Vérité si je mens ! Les débuts...), Audrey Dana prend également part au drame familial aux allures de thriller Boomerang. En 2017, elle réalise Si j'étais un homme, dans lequel elle campe une femme fraîchement divorcée qui se réveille avec un sexe masculin ! En 2021, elle joue la femme de Benoît Poelvoorde dans Profession du père, où l'acteur incarne un père mythomane.