Fille de la comédienne Marlène Jobert et d'un chirurgien-dentiste d'origine suédoise, Eva Green s'initie à la comédie au Webber Douglas Acting School de Londres, puis suit les cours d'Eva Saint-Paul, en France. 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, Bertolucci révèle la jeune actrice dans "Innocents - the dreamers", où elle incarne Isabelle, jeune fille idéaliste et cinéphile qui s'initie à l'amour en compagnie de son frère jumeau (Louis Garrel) et d'un étudiant américain (Michael Pitt) ; un rôle troublant, dérangeant, avec pour toile de fond mai 68. L’année suivante, elle incarne l’amoureuse délaissée de Romain Duris dans la superproduction Arsène Lupin.

Après ce film, direction Hollywood où elle part tenter sa chance, avec succès. Elle décroche un rôle de choix face à Orlando Bloom dans Kingdom of Heaven, fresque sur les Croisades signée Ridley Scott.

Elle est actuellement en cours de tournage du film "Zhivaya riba" qui sortira en 2006, et sera très certainement à l'affiche du film "In the Country of the Last Things" prévu pour 2007.

Sa beauté énigmatique en fait également une icône de mode ; elle fut notamment l’image de Emporio Armani.