A 5 ans, Eva est le modèle favori de sa mère, Irina Ionesco, photographe à la réputation sulfureuse. Elle fait sa première apparition à l'écran en 1976 dans Le Locataire de Roman Polanski, puis joue les lolitas dans des films marginaux de la fin des années 70.

Elève de la prestigieuse école des Amandiers, dirigée par Patrice Chéreau et Pierre Romans dans les années 80, Eva Ionesco est l'une des héroïnes de L' Amoureuse, que Jacques Doillon réalise en 1987 avec les apprentis comédiens de Nanterre. Cette blonde fantasque à la voix haut perchée devient bientôt une silhouette familière du jeune cinéma français : multipliant les seconds rôles (Vive la Republique !, La Patinoire) et les participations à des courts-métrages, elle tourne avec des réalisateurs débutants nommés Herve Le Roux (Grand Bonheur, 1993) ou Pascal Bonitzer (Encore, 1996). Son talent comique fait merveille dans les oeuvres loufoques d'Agnes Obadia (Romaine, 1997) et Danièle Dubroux (Eros thérapie, 2004). La même année, la comédienne participe au film Quand je serai star aux côtés d'Arielle Dombasle et enchaîne avec Les Invisibles. On la retrouve en 2006 dans Ecoute le temps. Habituée d'un certain cinéma d'auteurs, c'est dans J'ai rêvé sous l'eau qu'Eva Ionesco poursuit son parcours, avant de rejoindre le cinéma d'Axelle Ropert pour La Famille Wolberg, en 2009. Changeant radicalement de registre, elle aborde un autre pan cinématographique résolument noir avec Crime, premier film d'un autre journaliste des Inrockuptibles, Vincent Ostria.