Di padre iraniano e madre italiana, Maya Sansa cresce insieme alla madre a Roma e conoscerà suo padre solo all'età di 15 anni, quando già cominciava ad approcciarsi a quella che era la sua principale passione: la recitazione. dopo aver conseguito la maturità classica si trasferisce in Inghilterra, seguendo lo Shakespeare Adition Course al Convent Garden, tenuto da Rodney Archer a Londra. Fra il 1995 e il 1996, frequenta un corso di teatro di due anni, sempre tenuto da Archer, Two years acting course. Poi si iscrive alla Guildhall School of Music and Drama di Londra, diplomandosi nel 1999.

L'esordio cinematografico con Marco Bellocchio
Tornata in Italia, viene scoperta da Marco Bellocchio che la vuole come protagonista del suo film La balia (1999) con Michele Placido, Fabrizio Bentivoglio e Valeria Bruni Tedeschi. La sua performance sarà così intensa da metterla in lizza per il Nastro d'Argento come miglior attrice non protagonista. Ma La balia non sarà l'unica pellicola che l'attrice girerà con il grande maestro, sarà infatti la brigatista Chiara coinvolta nel rapimento di Aldo Moro, durante gli anni di piombo, con Luigi Lo Cascio, Paolo Briguglia e Pier Giorgio Bellocchio in Buongiorno, notte (2003). Anche questo ruolo si rivela una grande prova per quest'attrice che verrà candidata come miglior attrice protagonista sia per il David di Donatello che per il Nastro d'Argento.

La carriera francese
Voluta fortemente da Marco Tullio Giordana, recita nel suo film di sei ore La meglio gioventù (2003), riuscendo finalmente a ottenere il Nastro D'Argento come miglior attrice protagonista che diventerà assieme a tutto il resto del cast femminile. Una nuova nomination ai David arriva con il film di Carlo Mazzacurati L'amore ritrovato (2004), poi la Sansa comincia a lavorare anche in Francia, seguendo le orme di altre attrici italiane (Monica Bellucci, Caterina Murino, Valeria Bruni Tedeschi etc.) e partecipando a numerose pellicole, fra cui spunta un film tv di Claude Goretta Sartre, l'âge des passiones (2006). Ma non sarà l'unico film per la televisione presente nel suo curriculum, e infatti da ricordare il bellissimo Einstein (2007) firmato da Liliana Cavani. Nel 2009 prende parte a Il prossimo tuo e Giving Voice - La voce naturale, mentre l'anno successivo la troviamo in L'uomo che verrà di Giorgio Diritti, La pecora nera di Ascanio Celestini e Un altro mondo di e con Silvio Muccino. Attualmente la Sansa vive a Parigi assieme al suo compagno, l'attore franco-irlandese Fabrice Scott, partecipando parallelamente a produzioni francesi e italiane, come il recente Il primo uomo di Gianni Amelio, e il ritorno al primo amore artistico Bellocchio, che la dirige in Bella addormentata (ruolo per cui si aggiudica un David di Donatello come miglior attrice non protagonista). In seguito sarà nel cast del film francese Molière in bicicletta (2013), mentre la rivedremo in Italia in Storie sospese (2015) di Stefano Chiantini e ne La verità sta in cielo (2016) di Roberto Faenza.
Tra le più recenti interpretazioni di Maya Sansa troviamo A riveder le stelle di Emanuele Caruso e Lasciami andare di Stefano Mordini. Nel 2021 è diretta da Laura Bispuri ne Il paradiso del pavone e da Peter Chelsom in Security.