Fille d'un politicien conservateur espagnol, Carmen Maura tient une galerie d'art avant de se lancer dans la comédie. Elle sera successivement actrice de café théâtre, de théâtre classique et animatrice pour la télévision avant d'apparaître pour la première fois au cinéma en 1971 dans le drame El Hombre oculto d'Alfonso Ungria. Il faut cependant encore six ans à la jeune femme pour se faire réellement remarquer dans Tigres de papel (1977), avant de passer devant la caméra de Carlos Saura dans Les Yeux bandés en 1978.

1980 voit la rencontre de l'actrice avec Pedro Almodovar sur Pepi, Luci, Bom et autres filles du quartier. La collaboration s'étend tout au long de la décennie, de Dans les ténèbres (1983) à Femmes au bord de la crise de nerfs (1988) en passant par Qu'est-ce que j'ai fait pour mériter ca? (1984), Matador (1986) et La Loi du desir (1987).

En 1990, Carmen Maura retrouve Carlos Saura dans Ay Carmela ! puis tourne pour Gonzalo Suarez dans La Reina anonima deux ans plus tard. Les années quatre vingt-dix voient également l'ex-égérie d'Almodóvar franchir les Pyrénées pour jouer en France. Le public hexagonal la voit ainsi dans Louis, enfant roi (1993) où elle incarne Anne d'Autriche, en épouse de Michel Serrault dans Le Bonheur est dans le pré (1995), puis dans l'univers plus austère d'André Techiné dans Alice et Martin (1998).

Actrice internationale bien que la majorité de ses 78 longs métrages aient été tournés en Espagne, Carmen Maura rejoint Le Harem de Mme Osmane de Nadir Mokneche en 2000, puis tourne dans la foulée sous la direction de son compatriote Alex de la Iglesia dans la comédie noire Mes chers voisins, récompensé au Festival de Cognac et dans le western comédie, 800 balles.

Après un périple au côté de Jacques Gamblin dans 25° en hiver, elle côtoie deux autres égéries de Pedro Almodovar dans le loufoque Reinas (2005). Si l'actrice espagnole interprète Mrs. Breitberg dans Free zone (2005), le film israëlien très féminin d'Amos Gitaï, elle reste l'une des personnalités favorites de Pedro Almodovar en apparaissant dans Volver (2005) aux côtés de l'actrice Penélope Cruz. Pour autant, malgré ce film hommage du réalisateur à ses "femmes", sa carrière n'est pas derrière elle puisqu'on la retrouve en 2009 dans Tetro de Francis Ford Coppola et dans Chicas de la Française Yasmina Reza. Deux ans après, elle poursuit sa collaboration avec le cinéma hexagonal en campant la "bonne" de Fabrice Luchini dans le film de Philippe Le Guay, Les Femmes du 6e étage.