Fille de la comédienne Marlène Jobert et d'un chirurgien-dentiste d'origine suédoise, Eva Green s'initie à la comédie à la "Webber Douglas Acting School" de Londres, avant de suivre en France les cours d'Eva Saint-Paul. Remarquée sur les planches dans "Jalousie en 3 fax", pour lequel elle est nommée au Molière de la révélation théâtrale en 2002, elle joue ensuite dans "Turcaret" sous la direction de Gerard Desarthe.

En 2003, Eva Green est la troublante révélation de Innocents - the dreamers de Bertolucci. Dans ce huis clos ayant pour toile de fond Mai 68, elle incarne Isabelle, jeune fille idéaliste et cinéphile qui s'initie à l'amour en compagnie de son frère jumeau (Louis Garrel, le fils de Philippe) et d'un étudiant américain (Michael Pitt). Jeune première délaissée par Romain Duris dans la superproduction en costumes Arsène Lupin, Eva Green part ensuite tenter sa chance à Hollywood : en 2005, dans Kingdom of Heaven, fresque sur les Croisades signée Ridley Scott, elle interprète Sibylla, reine libre et mystérieuse dont s'éprend Orlando Bloom. Un an plus tard, sa carrière prend un tournant décisif lorsqu'elle est choisie pour incarner Vesper Lynd, la James Bond girl de Casino Royale, nouveau volet de la saga 007 dans lequel elle donne la réplique à l'agent secret Daniel Craig.

En 2007, la belle Eva enchaîne avec une autre superproduction puisqu'elle incarne Serafina Pekkala dans A la croisée des mondes : la boussole d'or, conte fantastique pour enfants dans la lignée de Narnia. Au Royaume-Uni, où elle revient par intermittence, elle donne la réplique à l'acteur britannique Sam Riley dans le thriller fantastique Dark World (2008), et partage l'affiche avec la jeune Juno Temple dans Cracks, où elle campe une enseignante trouble qui rêve d'évasion. La comédienne tombe ensuite amoureuse d'Ewan McGregor dans un monde apocalyptique où les humains perdent toutes perceptions sensorielles (Perfect Sense), et fait son entrée dans le bestiaire des créatures burtoniennes pour Dark Shadows (2012), où elle côtoie Johnny Depp, grimé pour l'occasion en vampire. En 2014, elle campe la redoutable Artemisia dans le guerrier et sanglant 300 : La naissance d'un Empire.

Eva Green est, cette même année, à l'affiche du western The Salvation puis d'une autre adaptation d'une oeuvre de Frank Miller : Sin City : j'ai tué pour elle. Parallèlement, la comédienne goûte également aux joies du petit écran via la série horrifique Penny Dreadful. En 2016, la belle Eva collabore à nouveau avec Tim Burton pour Miss Peregrine et les enfants particuliers. Elle y prête ses traits à Peregrine Faucon, la gérante d'un orphelinat accueillant des enfants ayant des dons spéciaux. La jeune femme va prendre sous son aile Jacob, un adolescent campé par Asa Butterfield. Elle poursuit avec le thriller D'après une histoire vraie de Roman Polanski et le drame Euphoria de Lisa Langseth. Puis, elle rejoint Colin farrell pour les besoins du Dumbo de Tim Burton, pour ensuite jouer l'héroïne de Proxima d'Alice Winocour, une astronaute qui s'apprête à quitter la terre pour une mission d'un an.

En 2023, Eva Green se glisse dans la peau de la belle et mystérieuse Milady pour les besoins du diptyque Les Trois Mousquetaires de Martin Bourboulon.