Ева Грин родилась в Париже на две минуты раньше сестры-двойняшки Джой. Отец Евы — Вальтер Грин, наполовину швед, наполовину француз по происхождению, работает стоматологом. Мать — известная актриса, алжирская француженка еврейского происхождения Марлен Жобер, в последнее время занимающаяся детской литературой. Дядя Евы — известный кинооператор Кристиан Бергер, тётя — актриса Марика Грин.

Грин описала свою семью как «буржуазную», и сказала, что её сестра очень отличается от неё.

Грин училась в Американском университете в Париже, учреждении изучения английского языка[8]. В университете Грин была тихой девочкой и интересовалась египтологией после посещения Лувра в возрасте 7 лет. В 14 лет, увидев Изабель Аджани в фильме «История Адели Г.», Ева решила стать актрисой. Её мать изначально опасалась, что актёрская карьера была бы слишком трудна для неё, но потом поддержала амбиции дочери.

В возрасте 17 лет Ева покинула Францию, чтобы выучить английский язык в Рамсгейте, графство Кент, а затем вернулась в Париж, где продолжила обучение в американской школе. В период с 1997 по 2000 год Ева обучалась в ряде других престижнейших европейских и американских университетов на курсах актёрского искусства и режиссуры (Школа Святого Павла в Париже, Академия драматического искусства Уэбер Даглас в Лондоне, Школа искусств Тиш при Нью-Йоркском университете).
После окончания образования Грин вернулась в Париж, чтобы начать актёрскую карьеру. Первыми шагами Евы как актрисы были роли в нескольких театральных постановках, таких как La Jalousie en Trois Fax (2001), за которую она была номинирована на премию Мольера, и Turcaret (2002). Как позже признавалась актриса, при посещении театральной школы она всегда играла отрицательных персонажей
Именно в театре её и заметил культовый режиссёр Бернардо Бертолуччи, впоследствии назвавший Грин «красивой до неприличия». Он пригласил Еву для участия в свой фильм «Мечтатели». Сверхоткровенная в плане наготы роль Изабель, избалованной парижанки, увлекающейся кино и сексуальными экспериментами с застенчивым американцем и своим собственным братом, мгновенно привела Еву к славе. Критики хвалили игру Грин, некоторые из них даже сравнивали её с Лив Тайлер. После выхода драмы, Грин рассказывала в интервью газете The Guardian, что агент и родители уговаривали её не сниматься в фильме, поскольку они опасались, что Еву может ожидать «такая же судьба, как Марию Шнайдер». Та получила травматический опыт во время съёмок драмы «Последнее танго в Париже». Сама Грин в процессе съёмок обнажённых и сексуальных сцен чувствовала себя комфортно, но была смущена, когда её семья посмотрела фильм.

После «Мечтателей» Ева снялась в ещё одном французском фильме «Арсен Люпен», в котором она исполнила роль Клариссы, любовницы Люпена. Несмотря на симпатию к своей героине, Грин заявляла, что предпочитает играть более сложных персонажей. Далее ей последовало предложение съёмок в Голливуде.

Дебютом Евы Грин в голливудском кино стала масштабная постановка режиссёра Ридли Скотта «Царство небесное» (2005). Актриса сыграла иерусалимскую королеву Сибиллу, в которую влюблён крестоносец Балиан (Орландо Блум). Для получения роли актрисе пришлось шесть раз проходить кинопробу, и она была нанята только за неделю до начала съёмок фильма. Грин описала этот процесс «напряжённым и захватывающим». Также Ева, впечатлённая неоднозначностью фильма, была разочарована слишком малым присутствием её героини на экране. Вскоре после добавления сложных сюжетных сцен её персонажа в режиссёрскую версию, Грин была удовлетворена. Историческая драма была смешанно встречена критиками, однако актёрским составом они были впечатлены. Стефани Захарек из Salon.com похвалил её выступление и сказал: «Она не вполне знает, что делать с неестественным диалогом её персонажа, но она так держится по-королевски, что вы этого не заметите». Нив Пирс из BBC, однако, назвал её персонажа «хромающей».

В дальнейшим Ева Грин являлась кандидатурой на роли в фильмах «Преданный садовник» и «Чёрная орхидея», однако роли достались другим актрисам.

Следующий фильм актрисы — боевик «Казино „Рояль“», где она перевоплотилась в легендарную девушку Бонда Веспер Линд: продюсеры Майкл Уилсон и Барбара Брокколи, решившие «обновить» сериал о знаменитом агенте 007, предпочли Еву другим звёздным именам. Грин предложили роль в середине 2005 года, но та первоначально отказалась. Позже она перечитала сценарий, и обнаружила, что характер Веспер гораздо глубже других девушек Бонда, и согласилась сниматься. Актёрская работа Грин была хорошо принята: Entertainment Weekly назвал её четвёртой «лучшей девушкой Бонда всех времён», а IGN назвал её «лучшей роковой женщиной». За роль Веспер актриса в 2007 году была удостоена премии Empire и номинации на «Сатурн». В том же году на церемонии вручения премии BAFTA она выиграла награду в категории «Восходящая звезда» за творческие достижения на протяжении всего года.

В 2007 году Ева Грин снялась в экранизации фантастической сказки «Золотой компас», первой части популярного книжного сериала «Тёмные начала» Филипа Пулмана. Она сыграла роль королевы ведьм Серафины Пеккалы. Из-за боязни высоты, в последний день съёмок актриса отказалась переснимать сцены, когда у неё возникли проблемы с ремнём безопасности.

В этом же году она рассматривалась на роль в фильм «Семейная тайна», которая в итоге досталась другой французской актрисе Сесиль Де Франс. Кроме этого, она планировала получить главную роль в драме «Антихрист» режиссёра Ларса фон Триера. Триер утверждал, что Грин была согласна сниматься в фильме, но её агенты не разрешили подписать контракт. Англо-французская актриса Шарлотта Генсбур впоследствии получила роль. Грин позже сказала, что она была в хороших отношениях с Триером, «но тогда мы начали говорить о наготе, сексе и так далее. Разговор зашёл слишком далеко… Это была моя мечта работать с ним, но это стыд, что это было на этом фильме, что это почти произошло. Я уверена, что не стою того, чтобы работать в этом фильме».

В 2009 году Грин появилась в фильме «Франклин», где она сыграла роль девушки Эмилии, страдающей раздвоением личности. Актёрская игра Грин была прохладно встречена критиками: Дерек Элли слабо оценил актёрский состав, заявив, что «Грин не смогла ярко показать её двойную роль». В этом же году она снялась в независимом фильме «Трещины», где она исполнила роль преподавательницы Мисс Джи, опекавшей шестерых девочек в школе-интернате.

В 2011 году Ева Грин работала в телесериале «Камелот», где она предстала в образе феи Морганы. Грин сказала про свою героиню: «Это такая символическая история, и у вас есть 10 эпизодов, чтобы изучить персонажа. Это не роль подруги, которую вы могли бы играть в кино. Это реальный напористый характер».

В этом же году Грин получила роль ведьмы Анжелики Бушар в трагикомедии «Мрачные тени», где её партнёром по съёмочной площадке стал Джонни Депп. Именно из-за этого фильма появились слухи о романе Грин и Деппа, вследствие чего тот расстался с Ванессой Паради. Сама Ева опровергала эту информацию.
В качестве модели, Ева Грин сотрудничала с такими известными фирмами, как Lancôme, Emporio Armani и Christian Dior. Кроме того, её можно увидеть в видеорекламах пива Heineken и духов Midnight Poison. Появилась на обложках многочисленных журналов, в том числе L'Officiel, MAX, GQ, Vogue и других.