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 rentrée 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 de la jeune comédienne au cinéma, puisque au moment d'enfilé 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 l'engager pour incarné Huguette dans Roman de gare (2007).
Grâce à ce film, Audrey Dana acquiert une certaine reconnaissance de son talent et sera nominée aux César 2008 dans la catégorie meilleur espoir féminin avant de remporter le Prix Romy Schneider de 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 dans le bouleversant Welcome (2009), de Philippe Lioret, ou elle partage la vedette avec Vincent Lindon.
Parallèlement à son rôle de comédienne, Audrey Dana, s'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