Ana Celia de Armas Caso, 30 Nisan 1988 tarihinde Havana, Küba'da dünyaya gelmiştir. Küba'nın küçük bir kasabası olan Santa Cruz del Norte'de büyüyen de Armas, 12 yaşında oyuncu olmaya karar vermiş ve Havana'daki Küba Ulusal Tiyatro Okulu'nda eğitim almıştır.

Oyunculuk kariyerine henüz genç yaşta Küba yapımı "Una rosa de Francia" (2006) filmiyle başlayan de Armas, 18 yaşında oyunculuk kariyerini ilerletmek amacıyla Madrid, İspanya'ya taşındı. İspanya'da kısa sürede tanınan bir yüz haline geldi ve özellikle popüler gençlik dizisi "El Internado"da (Yatılı Okul) (2007-2010) canlandırdığı Carolina Leal Solís karakteriyle büyük bir hayran kitlesi edindi. Bu dönemde İspanyol sinemasında çeşitli filmlerde de rol aldı.

2014 yılında kariyerinde yeni bir sayfa açarak Los Angeles'a taşınan de Armas, İngilizce öğrenmeye odaklandı ve Hollywood'da kendine yer edinmeye çalıştı. İlk İngilizce filmleri arasında Keanu Reeves ile birlikte rol aldığı "Kim O?" (Knock Knock) (2015) ve "Yanlış Kapı" (Exposed) (2016), Édgar Ramírez ile oynadığı "Demir Yumruk" (Hands of Stone) (2016) ve "Vurguncular" (War Dogs) (2016) bulunmaktadır.

Ana de Armas'ın Hollywood'daki asıl çıkışı, Denis Villeneuve'ün yönettiği ve büyük beğeni toplayan bilimkurgu filmi "Bıçak Sırtı 2049"da (Blade Runner 2049) (2017) canlandırdığı yapay zeka karakteri Joi rolüyle oldu. Bu rol, onun yeteneğini ve ekran ışıltısını daha geniş kitlelere göstermesini sağladı ve eleştirmenlerden övgü aldı.

Ancak onu gerçek anlamda yıldızlığa taşıyan ve A listesindeki yerini sağlamlaştıran yapım, Rian Johnson'ın yönettiği gizem filmi "Bıçaklar Çekildi" (Knives Out) (2019) oldu. Filmde canlandırdığı dürüst ve iyi kalpli hemşire Marta Cabrera karakteriyle büyük beğeni toplayan de Armas, bu rolüyle Müzikal veya Komedi dalında En İyi Kadın Oyuncu Altın Küre Ödülü'ne aday gösterildi.

Bu başarının ardından kariyer basamaklarını hızla tırmanmaya devam eden de Armas, James Bond serisinin "Ölmek İçin Zaman Yok" (No Time to Die) (2021) filminde kısa ama akılda kalıcı Paloma karakterini canlandırdı. Ben Affleck ile başrolü paylaştığı erotik gerilim "Derin Sular" (Deep Water) (2022) filminde rol aldı. Kariyerinin en çok konuşulan ve tartışılan rollerinden birini ise Andrew Dominik'in yönettiği biyografik drama "Blonde"da (2022) Marilyn Monroe'yu canlandırarak üstlendi. Bu zorlu rolündeki performansıyla En İyi Kadın Oyuncu dalında Akademi Ödülü (Oscar), Altın Küre, BAFTA ve SAG Ödülü gibi birçok önemli ödüle aday gösterilerek yeteneğini bir kez daha kanıtladı. 2023 yılında ise Chris Evans ile birlikte aksiyon-romantik komedi türündeki "Ghosted" filminde başrol oynadı.