Eva nasceu na França, filha da atriz Marlène Jobert e de um dentista sueco, Walter Green, e passou parte da infância na Inglaterra. Aos quatorze anos, assistindo ao filme A História de Adele H, com Isabelle Adjani, resolveu ser atriz como a mãe. Trabalhava no teatro, ainda adolescente, antes de ser lançada por Bernardo Bertolucci como uma lolita sensual no filme Os Sonhadores, que causou polêmica pelas várias cenas de nudez dela inseridas no enredo.Na época, ela criticou a imprensa americana que ficou chocada com o erotismo do filme: “Não entendo por que os americanos ficaram incomodados com isso. Não entendo por que eles não podem ver uma pessoa nua na tela e nós podemos ver um bebê ser assassinado num filme deles.”

Depois de filmar Cruzadas em Hollywood com o diretor Ridley Scott, ela alcançou o estrelato internacional como a bond girl Vesper Lynd, em Casino Royale, com o ator Daniel Craig.

Em 2007 atuou novamente com Craig no filme A Bússola de Ouro, baseado no livro homônimo de Philip Pullman, no papel da bruxa Serafina Pekkala.

Green também é bastante requisitada pelo mercado publicitário de moda e beleza, tendo feito campanhas para Armani, Christian Dior e Lancôme, mesmo depois de ter se tornado uma estrela internacional do cinema.