Το 2006, σε ηλικία 18 ετών, κάνει το κινηματογραφικό της ντεμπούτο στη δραματική ταινία Una rosa de Francia σε σκηνοθεσία του Manuel Gutiérrez Aragón.
Το 2007 εμφανίζεται στη δραματική τηλεοπτική ταινία El edén perdido και στην ταινία επιστημονικής φαντασίας Madrigal.
Από το 2007 έως το 2010 παίζει στις έξι σεζόν της δραματικής εφηβικής τηλεοπτικής σειράς El internado.
Το 2009 εμφανίζεται στην ταινία κωμωδίας Mentiras y Gordas.
Από το 2010 έως το 2011 εμφανίζεται ως Nerea στην ιστορική τηλεοπτική σειρά Hispania, la leyenda.
Από το 2011 έως το 2014 συμμετέχει στην ταινία τρόμου El callejón, στην ταινία κωμωδίας Faraday, στη ρομαντική - δραματική ταινία Por un puñado de besos και στην ταινία τρόμου Anabel.
Το 2014 μετακομίζει στο Λος Άντζελες.
Το 2015 κάνει το ντεμπούτο της στο Χόλιγουντ με την ταινία θρίλερ Knock Knock δίπλα στον Keanu Reeves.
Το 2016 πρωταγωνιστεί και πάλι δίπλα στον Keanu Reeves στην αστυνομική ταινία Exposed, στη βιογραφική ταινία War Dogs του Todd Phillips και στη βιογραφική δραματική ταινία Hands of Stone δίπλα στον σπουδαίο Robert De Niro.
Το 2017 υποδύεται τη Stephanie στην ταινία περιπέτειας Overdrive και την Joi στη σπουδαία ταινία δράσης Blade Runner 2049 του Denis Villeneuve δίπλα στους Harrison Ford και Ryan Gosling.
To 2019 πρωταγωνιστεί στις ταινίες δράσης The Informer και Wasp Network και βέβαια στην καθηλωτική ταινία μυστηρίου Knives Out δίπλα στον Daniel Craig. Για τον ρόλο της ως Marta Cabrera στην ταινία Knives Out ήταν υποψήφια για το Βραβείο Χρυσής Σφαίρας Καλύτερης Γυναικείας Ερμηνείας σε Κωμωδία ή Μιούζικαλ.
Το 2020 εμφανίζεται στο νουάρ αστυνομικό δράμα The Night Clerk και στη βιογραφική δραματική ταινία Sergio.
Το 2021 έχει τον ρόλο της Paloma στη θαυμάσια ταινία δράσης No Time to Die δίπλα στον Daniel Craig, ο οποίος έχει βέβαια τον ρόλο του James Bond.
Το 2022 πρωταγωνιστεί στην ταινία μυστηρίου Deep Water μαζί με τον Ben Affleck, ενώ στη συνέχεια θα υποδυθεί τη Marilyn Monroe στη βιογραφική ταινία Blonde.
Η Ana de Armas, κόρη του Ramón και της Ana Caso, έχει έναν μεγαλύτερο αδερφό, τον Javier, ο οποίος δουλεύει στη Νέα Υόρκη ως φωτογράφος. Το 2011 παντρεύεται τον Ισπανό ηθοποιό Marc Clotet, με τον οποίο χωρίζει μετά από δύο χρόνια. Στη συνέχεια αρραβωνιάζεται από τις αρχές του 2015 έως τα τέλη του 2016 με τον Franklin Latt, έναν Αμερικανό πράκτορα ταλέντων. Για μικρό χρονικό διάστημα μέσα στο 2020 σχετίζεται με τον Ben Affleck, με τον οποίο χωρίζει στις αρχές του 2021.
Η Ana de Armas είναι πολύ δημοφιλής στις πλατφόρμες μέσων κοινωνικής δικτύωσης. Έχει περίπου 4 εκατομμύρια ακολούθους στο Instagram και πάνω από 65.000 ακόλουθους στο Facebook.
