C'est en faisant du théâtre à Séville que Paz Vega décide de devenir actrice. Elle commence à étudier l'art dramatique avant de partir tenter sa chance à Madrid. Après quelques mois, elle débute à la télévision. Son rôle le plus populaire est celui de Laura, une jeune ingénue dans la série 7 Vidas, qu'elle interprète de 1997 à 2000.

L'année 1999 marque ses premiers pas dans le septième art. On la voit à l'affiche de Zapping, Raisons de vivre et surtout Jeu de rôles, gros succès populaire en Espagne dans lequel elle donne la réplique à Eduardo Noriega. En 2002, le drame Lucia y el sexo, qui lui apporte le Goya de la révélation féminine, marque un tournant décisif dans sa carrière. Son nouveau statut amène Pedro Almodovar à lui donner un petit rôle dans Parle avec elle.

Après avoir retrouvé Eduardo Noriega dans Novo, Paz Vega se voir offrir une opportunité hollywoodienne. En 2004, elle est ainsi au casting de la comédie sociale Spanglish, où elle incarne une jeune mexicaine embauchée comme gouvernante par un couple américain formé d'Adam Sandler et Téa Leoni. Son statut international, permet ensuite à Paz Vega de tenir la vedette à André Dussollier et Tchéky Karyo dans le drame franco-italien, La Masseria delle allodole.

Paz Vega retourne l'année suivante aux Etats-Unis pour rejoindre le prestigieux casting du nouveau film de Frank Miller, The Spirit. Après avoir retrouvé Pedro Almodóvar dans Les Amants passagers, elle campe ni plus ni moins que le cantatrice grecque Maria Callas dans Grace de Monaco. A l'affiche de projets inconnus du grand public, comme Emperor ou Acts of Vengeance, la belle joue en 2019 dans Rambo Last Blood, dernier volet consacré au célèbre ex béret John Rambo.