Ana Celia de Armas Caso néven született meg a Kubában található Santa Cruz del Norte településen 1988. április 30-án. A fővárosban, Havannában nevelkedett. Édesapja Ramón de Armas kubai származású, míg édesanyja Ana Caso spanyol. Egy testvére van, Javier Caso, aki fotósként tevékenykedik. Tizenkét éves volt, amikor elhatározta, hogy színésznő szeretne lenni, ezért beiratkozott a National Theatre of Cuba nevezetű előadó művészeti színházba. A National Theatre School of Havana drámaiskolában kezdett el tanulni tizennégy évesen, melyet négy évvel később el is végzett, majd nem sokkal később Spanyolországba költözött színészi karrierjének elindításának reményében.

2006-ban debütált színésznőként az Una rosa de Francia filmdrámában Álex González oldalán, melyben Marie-t alakította, a női főszereplőt. 2007-ben a Madrigal és az El edén perdido filmekben tűnt fel. Ugyanebben az évben május 24-én jelent meg az Internátus című spanyol misztikus-dráma sorozatának első epizódja, amiben Carolina Leal Solís karakterét formálta meg. Összesen ötvenkét részen át hozta a szerepet, s 2010-ben a hatodik évad kilencedik epizódjában láthattuk őt utoljára. 2009-ben a Szex, party és hazugságok vígjáték-drámában ismerhettük meg, mint a főszereplő Carola.

2010 és 2011 között a Hispania, la leyenda történelmi szériában Nerea megszemélyesítője volt. 2011-ben az El callejón horrorfilmben volt benne. 2013-ban a Faraday című filmben tűnt fel egy kisebb szerepben. 2014-ben a Por un puñado de besos romantikus-filmben Sol karakterét játszotta el Martín Rivas mellett. 2015-ben a Kopp-kopp thrillerfilmben Keanu Reeves és Lorenza Izzo oldalán találkozhattunk vele, mint Bell. Ezt követően az Anabel misztikusfilmben alakította a főszereplőt. 2016-ban ismét együtt játszhatott Keanu Reeves mellett az Isten lánya című filmben, amiben Isabel De La Cruz szerepét öltötte magára. Ebben az évben még a Kőkezű és a Haverok fegyverben nevezetű produkciókban szerepelt. 2017-ben a Kipörgetve című akciófilmben találkozhattunk vele, mint Stephanie. Ezután Ryan Gosling és Harrison Ford mellett a Szárnyas fejvadász 2049 sci-fi filmben Joi megformálója volt, aki egy holografikus számítógépes program. Alakításáért sok dicséretet kapott. 2018-ban a Corazón nevezetű rövidfilmben tűnt fel. 2019-ben a The Informer bűnügyi-drámában Sofia Hoffman személyében ismerhettük meg. Ezután Olivier Assayas drámájában, a Wasp Networkben alakítja Ana Magarita Martinezt. A film Fernando Moraisnak a The Last Soldiers on the Cold War könyvét dolgozza fel. Ugyanebben az évben még a Tőrbe ejtve krimi-drámában Marta Cabrera-t alakítja, olyan színészek mellett, mint Daniel Craig, Chris Evans és Jamie Lee Curtis.

2020-ban a Sergio és a The Nigh Clerk drámákban szerepelt. 2021 októberére várható a Nincs idő meghalni akcióthrillerje, melyben ismételten együtt fog játszani Daniel Craiggel. 2022-ben jelenik meg a Deep Water filmje, valamint a Blonde életrajzi-filmben is találkozhatunk majd vele, melyben Marilyn Monroe-t fogja alakítani. A produkció Joyce Carol Oates regényén alapul.