Alexa Davalos a passé une grande partie de son enfance dans le sud de la France, mais aussi en Italie aux côtés de ses parents. De ce fait, elle parle français couramment. Elle commence alors sa carrière dans le mannequinat mais préfère se tourner vers le monde du cinéma.
Elle débute en tant qu'actrice en faisant une petite apparition dans la série intitulée "Les Années Campus". Puis, elle se fait connaître du grand public grâce à son interprétation dans Angel, dans le rôle de la sexy, mais surtout électrique Gwen Raiden... Elle y fera donc trois apparitions. En 2002, elle tourne dans le court-métrage The Ghost of F. Scott Fitzgerald dans le rôle de Bess Gunther et tourne l'année suivante aux côtés d'
Antonio Banderas dans le téléfilm Pancho Villa.
Après plusieurs rôles de série TV, elle se fait connaître pour son rôle de Kyra dans
Les Chroniques de Riddick avec
Vin Diesel comme partenaire.
En 2007, elle tourne sous la direction de
Frank Darabont (La Ligne Verte) dans
The Mist, adaptation de la nouvelle de Stephen King aux côtés notamment de
Thomas Jane ,
Marcia Gay Harden et
Laurie Holden . En 2008, elle interprète Lilka une réfugiée juive avec
Daniel Craig dans Les Insurgés.
En 2010, elle est engagée aux côtés de
Sam Worthington et
Liam Neeson pour jouer le personnage d'Andromède dans Le Choc des titans de
Louis Leterrier .