Atriz espanhola que ganhou um Oscar de Melhor Atriz Coadjuvante por sua atuação na comédia romântica Vicky Cristina Barcelona, de 2008, quando interpretou a personagem Maria Elena. Outros de seus papéis notáveis foram nos filmes Volver, Vanilla Sky, Profissão de Risco, Zoolander 2 e Espírito Selvagem.
Passou quase nove anos estudando balé clássico. Assinou contrato com um agente de atores aos 15 anos de idade.
Como modelo, foi embaixadora da marca L'Oréal e também fez trabalhos para a Ralph Lauren. Estrelou o clipe da música "La Fuerza del Destino", da banda espanhola Mecano, quando tinha apenas 15 anos.
Já namorou com Tom Cruise e Matthew McConaughey. Em 2010, casou-se com Javier Bardem, com quem teve um filho e uma filha: Leo e Luna.
Em 2011, contracenou com Johnny Depp no filme Piratas do Caribe: Navegando em Águas Misteriosas.
