Née à Madrid de parents Argentins, Bárbara Lennie passe les premières années de sa vie à Buenos Aires. Elle a 6 ans lorsque sa famille s'installe définitivement en Espagne. Et elle en a presque 15 quand elle fait ses débuts en tête d'affiche du remarqué Más pena que Gloria.

Formée à la Royal School of Art, la jeune femme se produit sur scène, tout en enchaînant des projets comme La bicicleta, Mujeres en el parque et Las 13 rosas pour le grand écran. Obaba, du réalisateur Montxo Armendaríz, lui permet, en 2006, de décrocher une nomination en tant que Révélation féminine.

Durant deux ans, Bárbara Lennie est membre d'une équipe d'intervention d'urgence de la police dans la fiction Compte à rebours. Une fois la série terminée, elle voyage à l'époque du régime du général Franco avec le feuilleton Amar en tiempos revueltos. Son personnage, Rosa, aspire à devenir actrice en ces temps troublés et rencontre de nombreuses déconvenues en deux saisons. Pedro Almodóvar la choisit en 2011 pour compléter le casting de La piel que habito porté par Antonio Banderas. L'année suivante, elle incarne la Reine Juana de Avis dans la série historique Isabel, consacrée à la monarque Isabelle de Portugal (Michelle Jenner).

En 2015, la comédienne se distingue dans deux catégories aux prestigieux Goya Awards avec une nomination en tant que Meilleur second rôle féminin pour El Niño et le prix de la Meilleure actrice pour sa prestation de femme fatale dans Magical Girl.

Médecin en difficulté à cause d'une adoption illégale dans Una especie de familia, Bárbara Lennie prête ses trait en 2018 à Petra sur les traces d'un père qu'elle n'a jamais connu. En France, elle se fait remarquer en décembre 2020 dans Après toi, le chaos, la nouvelle série du créateur d'Elite. Ce thriller sombre oppose Raquel, une prof de littérature (Inma Cuesta), à l'un de ses élèves (Arón Piper), lequel prend un malin plaisir à la torturer. Bárbara Lennie y joue Viruca, l'ancienne professeure retrouvée morte. Seule contre tous, Raquel mène l'enquête pour découvrir ce qui est arrivé à sa prédécésseure.