4 lata). Ukończyła kurs tańca współczesnego. Zaczęła regularnie występować jako prezenterka w programie telewizji hiszpańskiej La Quinta Marcha przeznaczonym dla nastolatek. Po dwóch latach przerwała naukę w szkole średniej i zrezygnowała z tańca na rzecz aktorstwa. Zadebiutowała w wideoklipie La fuerza del destino hiszpańskiej grupy popowej Mecano.
W 1991 zadebiutowała na wielkim ekranie w filmie El Laberinto Griego Rafaela Alcazara. Rok później zagrała m.in. w Szynka, szynka Bigasa Luny i Belle époque. Za rolę w drugim z filmów dostała nagrodę Goya – hiszpański odpowiednik Oscara.
W 1999 wystąpiła w filmie Pedra Almodóvara Wszystko o mojej matce. Film ten został nagrodzony Oscarem dla najlepszego filmu obcojęzycznego. Rok później zagrała razem z Mattem Damonem w filmie Rącze konie (ang. All the Pretty Horses).
Na początku 2001 wystąpiła wraz z Tomem Cruise’em w filmie Vanilla Sky. Znajomość z Tomem Cruise’em na planie zapoczątkowała jej trzyletni związek z tym aktorem, który dla Cruz rozstał się z ówczesną żoną Nicole Kidman. Vanilla Sky jest hollywoodzkim remakiem filmu Otwórz oczy (hiszp. Abre los ojos). W obu wersjach zagrała rolę Sofii.
W 2005 wystąpiła w filmie Sahara u boku Matthew McConaugheya, z którym miała trwający rok romans.