La jeune femme étudie le chant classique dès l’âge de 18 ans et suit des cours d’art dramatique à Berlin avant d’entamer une carrière cinématographique avec Tango, de Carlos Saura, dans lequel elle interprète une danseuse qui fait chavirer le cœur de son metteur en scène. Et elle tourne avec Dennis Hopper dans le drame américano-autrichien The Venice Project, qui propose une réflexion sur l’art. L’année 2000 marque sa première collaboration avec Salma Hayek dans le film expérimental Time Code, mais aussi sa rencontre avec Andy Garcia sur le plateau du biopic For Love and Country : The Arturo Sandoval Story, où elle incarne la femme du célèbre trompettiste cubain Arturo Sandoval. C’est alors qu’elle retrouve Salma Hayek deux ans plus tard dans une autre fiction biographique intitulée Frida, qui met en scène la vie tumultueuse de la peintre mexicaine Frida Kahlo. Maestro y interprète la sœur de l’artiste.

Forte de son expérience, elle figure au générique de La Niña Santa, un drame argentin qui traite de l’adolescence face à la religion, nominé pour la Palme d’or 2004 au Festival de Cannes. Sur cette lancée, elle décroche le rôle principal féminin de l’Oscarisé Carnets de voyage, un road-movie retraçant le périple que mena Che Guevara et son compagnon de route Alberto Granado vers l’Amérique latine. L’actrice se voit alors offrir un autre style d’exercice pour les besoins du blockbuster catastrophe Poséidon, avant de se faire une place à la télévision aux côtés de Jennifer Garner dans Alias, la série d’espionnage culte de J.J. Abrams. Elle est la demi-sœur de l’héroïne Sydney Bristow dans les trois dernières saisons du show de la chaîne ABC. Son personnage lui permet d’acquérir une certaine notoriété auprès des téléspectateurs. La belle poursuit alors son ascension cinématographique en s’essayant à la comédie avec Very Big Stress, porté par le talentueux comique américain d’origine grecque Zach Galifianakis, star de la saga Very Bad Trip.

L’année 2011 marque son entrée dans une autre série de films à succès : Twilight, adapté des romans fantastiques de Stephenie Meyer. Elle y joue une vampire végétarienne membre du clan Denali dans les deux derniers chapitres, et chante un titre de la bande originale. La jeune femme décroche ensuite un petit rôle dans Savages d’Oliver Stone, avec Blake Lively, Benicio Del Toro et Aaron Taylor-Johnson. Son jeu est récompensé par une nomination à l'ALMA Awards dans la catégorie Meilleur second rôle féminin. La comédienne revient alors progressivement à la télévision en participant à quelques épisodes de séries américaines à succès telles que FBI : duo très spécial ou Person Of Interest. Mais c’est en 2014 qu'elle parvient à faire son grand retour avec un rôle de premier plan pour The Strain, de Guillermo del Toro, qui plonge les téléspectateurs dans le quotidien d’une équipe de scientifiques représentant le dernier espoir pour sauver l’humanité d’un étrange virus. Elle y campe le docteur Nora Martinez qui travaille en étroite collaboration avec Ephraim Goodweather (Corey Stoll) et Abraham Setrakian (David Bradley).

Stéphane Villeneuve