Sa mère est l'actrice française Marlène Jobert ; son père, Walter Green, un chirurgien-dentiste suédois, est le petit-fils du compositeur Paul Le Flem. Son nom de famille est prononcé /gre:n/ (gréén, graine) et signifie « branche (d'un arbre) » car il est d'origine suédoise et non anglaise (en anglais le mot green signifie vert).
Avec sa soeur jumelle Joy, elles grandissent dans le 17e arrondissement de Paris. Eva suit les cours de l'école Fénelon Sainte-Marie puis de l'American School de Paris.
Enfant, elle souhaite devenir égyptologue, mais ses cours de théâtre la passionnent également. Elle arrête ses études à 16 ans bien qu'elle obtienne de bons résultats, « ne pouvant plus supporter le lycée ». Elle suit alors des cours de théâtre à Londres avant de revenir à Paris.
Elle étudie les arts dramatiques pendant trois ans à Paris, suivi d'un cours intensif durant dix semaines au Webber Douglas Academy of Dramatic Art à Londres, avant de suivre en France les cours d'
Eva Saint-Paul.
Eva Green commence sa carrière avec le rôle d'Iris dans la pièce Jalousie en 3 fax, rôle qui lui vaut les éloges de la part de plusieurs critiques et une nomination de Révélation théâtrale féminine de l'année à la Nuit des Molières en 2002. Elle remonte sur scène en 2002 dans la pièce Turcaret sous la direction de Gérard Desarthe.
- 2001 : Jalousie en trois fax d'Esther Vilar, mise en scène Didier Long, Petit Théâtre de Paris
Également en 2002, elle entame sa carrière filmographique en jouant le rôle d'Isabelle dans
Innocents - The Dreamers, du réalisateur italien
Bernardo Bertolucci. Sa performance, décrite par Bertolucci comme « si beau que c'en est indécent », lui vaut à nouveau des éloges, ainsi qu'une certaine notoriété pour les scènes où elle apparaît nue. Eva dit trouver Bertolucci « manipulateur » dans un sens créatif, non agressif. Par comparaison avec son précédent travail pour la scène, elle dit qu'en jouant devant la caméra, « on devient un jouet ».
Elle joue le rôle de la comtesse Clarisse de Dreux-Soubise dans le film Arsène Lupin en 2004, film réalisé par Jean-Paul Salomé et où figurent
Romain Duris et
Kristin Scott Thomas. En 2005, elle incarne Sibylle de Jérusalem dans le film de
Ridley Scott,
Kingdom of Heaven.
Eva a joué une James Bond girls, Vesper Lynd, dans le film Casino Royale. Elle y joue la femme fatale de James Bond, joué par
Daniel Craig. Pourtant, un an avant le début du tournage, elle refuse l'audition, mais passe une audition à l'aveugle (sans le texte) puis est envoyée à Prague pour une seconde audition quelques jours seulement avant d'entamer le tournage. On lui donne alors un nouveau script qu'elle aime et accepte. Le studio a cependant des doutes quant à son accent français, son personnage étant d'origine anglaise. Green doit donc travailler son accent pour le rôle. Elle devient ainsi la sixième James Bond girl française après
Claudine Auger dans Opération Tonnerre,
Corinne Cléry dans Moonraker,
Carole Bouquet dans
Rien que pour vos yeux, Saskia Cohen-Tanugi dans
Jamais plus jamais et
Sophie Marceau dans
Le monde ne suffit pas ainsi que la notable participation de Denise Perrier, Miss Monde 1953, dans Les Diamants sont éternels (1971).
En 2006, le magazine Maxim la classe 20e dans sa liste annuelle des belles femmes (« Hot 100 »).
Elle rejoint ensuite l'équipe de tournage d'À la croisée des mondes : Les royaumes du Nord d'après le roman de Philip Pullman, où elle joue la reine des sorcières Serafina Pekkala.
Eva rencontra le réalisateur de
The Constant Gardener, le Brésilien
Fernando Meirelles, mais ne put travailler dans ce film en raison du tournage de Kingdom of Heaven à la même époque.
De même, on lui offrit un rôle dans le film
Le Dahlia noir, de Brian DePalma, mais celui-là lui échappa pour la même raison, bien que le tournage en ait été retardé. Elle refusa aussi le rôle parce qu'elle ne voulait pas être cataloguée comme femme fatale.
En 2010, elle est remplacée par
Diane Kruger sur le tournage de Farewell, my Queen (adaptation du roman de Chantal Thomas), film dans lequel elle devait jouer la reine Marie-Antoinette.