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, 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 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.
