Cresciuta a l'Avana, Ana de Armas si è formata alla Escuela Nacional de Arte de Cuba. A diciotto anni si è fatta notare come protagonista di Una rosa de Francia (2006), diretto da Manuel Gutiérrez Aragón. Tra il 2007 e il 2010 ha interpretato il ruolo di Carolina nella serie televisiva El internado, e nel 2015 ha debuttato a Hollywood come protagonista in due film, entrambi al fianco di Keanu Reeves, Knock Knock di Eli Roth, e Nell'ombra di un delitto, presentato al Festival di Cannes 2016. Dopo la commedia di Todd Phillips Trafficanti e il film con Robert De Niro ed Edgar Ramirez Hands of Stone, nel 2017 ha avuto un ruolo nel film di fantascienza Blade Runner 2049.
Nel 2019, per la sua interpretazione nel film Cena con delitto - Knives Out, ha ricevuto la candidatura al Golden Globe nella sezione migliore attrice in un film commedia o musicale. Nel 2021 è nuovamente sul grande schermo in No Time To Die nel ruolo di Paloma, un'affascinante e temibile agente della CIA sotto copertura a Santiago di Cuba, ed è diretta da Adrian Lyne in Acque profonde, dove recita accanto a Ben Affleck.
Nello stesso anno interpreta Marilyn Monroe nel controverso biopic Blonde di Andrew Dominik, tratto dal libro di Joyce Carol Oates.