De Armas fez sua estreia como atriz em 2006 no papel de Marie em ?Uma Rosa da França?. Aos 18 anos, mudou-se para a Espanha e conseguiu seu primeiro papel de protagonista, que também se tornou seu primeiro grande sucesso, na série espanhola ?O Internato?, na qual interpretou Carolina Leal.

Depois, a atriz cubana apareceu em produções como ?Grandes Mentiras?, ?Hispania, La Leyenda? e ?Blind Alley?, mas decidiu seguir carreira em Hollywood. Então, aprendeu inglês e se mudou para Los Angeles, nos Estados Unidos, em 2014. No mesmo ano, apareceu no filme ?Por um Punhado de Beijos?.

Em seguida, estrelou ?Bata Antes de Entrar? ao lado de Keanu Reeves, com quem também contracenou no filme de 2016 ?Exposed?. Com o avanço da carreira, a atriz teve um papel de destaque em ?Cães de Guerra?, como a esposa do personagem interpretado por Miles Teller. Em 2017, Ana atuou no thriller de ação francês ?No Limite? e em ?Blade Runner 2049?.

De Armas também integrou o elenco de ?Entre Facas e Segredos?, dirigido por Rian Johnson, no qual atuou ao lado de nomes como Daniel Craig, Jamie Lee Curtis e Chris Evans. Pela performance, foi indicada ao Globo de Ouro na categoria de Melhor Atriz em Comédia ou Musical.

Ana participou do filme ?Sérgio?, no qual interpretou Carolina Larriera ao lado do brasileiro Wagner Moura, em 2020. Também teve uma breve aparição em ?007 - Sem Tempo para Morrer?, último filme de Daniel Craig como James Bond. Em 2022, protagonizou o thriller ?Águas Profundas?, baseado no romance homônimo de Patricia Highsmith, ao lado de Ben Affleck. Também estrelou, ao lado de Ryan Gosling e Chris Evans, o filme de ação da Netflix ?Agente Oculto?.

De Armas foi indicada ao Oscar de Melhor Atriz em 2023 por sua atuação como Marilyn Monroe em ?Blonde? e se tornou a primeira cubana indicada nesta categoria. Depois, revelou ter enfrentado resistência para interpretar Marilyn, inclusive por causa do sotaque, mas conseguiu convencer os produtores de que era a escolha certa. Antes do lançamento do filme, Brad Pitt, um dos produtores do longa, saiu em sua defesa e afirmou que ela era a escolha ideal para o papel.

A atriz estrelou ao lado de Chris Evans a comédia romântica de ação da Apple TV+ ?Ghosted - Sem Resposta? em 2023. No ano seguinte, esteve no elenco de ?Eden?, filme dirigido por Ron Howard e que também contou com Jude Law, Vanessa Kirby e Sydney Sweeney no elenco.

Em 2025, Armas interpretou a protagonista Eve, uma dançarina e assassina que entra em uma organização secreta de assassinos e busca vingança contra os responsáveis pela morte de seu pai na infância, no filme de ação ?Bailarina", do Universo de "John Wick?, spin-off da popular franquia estrelada por Keanu Reeves.