Desde muy pequeña, esta actriz hispano-cubana comenzó a fantasear con el cine al ver películas en casa de una vecina. Una de sus favoritas era Matilda y pronto supo que quería ser actriz, así que a los 14 años comenzó sus estudios de arte dramático en la Escuela Nacional de Teatro de La Habana. Dos años después, debutó en el cine en la producción española Una rosa de Francia (2006) y este año comenzó muy bien para ella con su primera nominación a los premios Oscar por su protagónico en la película Blonde, donde interpretó a Marilyn Monroe.
Sin embargo, Ana no olvida sus raíces, su familia y su infancia humilde; de allí sacó el impulso para perseguir sus sueños y mudarse a Madrid, donde consiguió un papel en la serie El Internado, un fenómeno de masas que encumbró su carrera. Pero después no recibió tantas ofertas, por lo que decidió emigrar a los Estados Unidos.
Sólo pasaron cuatro meses y le propusieron actuar en el film Manos de Piedra, donde compartió con Robert De Niro y Edgar Ramírez. A esto le siguió la secuela de Blade Runner 2049 y, en el 2019, fue nominada por primera vez a los Globos de Oro por su papel en Knives Out, película que protagonizó junto al actor Daniel Craig, con quien luego también compartió pantalla en la cinta de James Bond No Time to Die, convirtiéndose en la primera hispana en lograrlo.