Ana, tan solo a los 14 años, fue elegida para entrar en la Escuela Nacional de Arte de Cuba. Su primer papel protagonista fue en Una rosa de Francia, que protagonizó junto a Álex González, con tan solo 16 años. Más tarde, actuó en otras películas, como Madrigal, y la telenovela El edén perdido.
Ya en España, con apenas 18 años, fue a Madrid a hacer cástings y obtuvo un papel en la serie El internado - de la productora Globomedia-, en la que trabajó durante toda la serie, a excepción de la 7ª y última temporada, interpretando el papel de Carolina Leal y compartiendo reparto con actores como Yon González (Iván), Martiño Rivas (Marcos), Elena Furiase ( Victoria ) y Blanca Suárez ( Julia ).
En el año 2009, estrenó la película Mentiras y gordas, que consiguió ser una de las películas más taquilleras en español del año 2010, con una recaudación de más de 4 millones de euros.
La cubana ha protagonizado varias portadas de revistas: en abril de 2008, fue la portada de la revista masculina FHM; en abril de 2009, de Must! Magazine y en agosto de ese mismo año, de la revista de moda Vanidad, entre otras.
En julio de 2010, empezó a grabar Hispania, una serie de Antena 3 en la que interpretaba a una de las protagonistas, Nerea, una esclava. Dicha serie dio comienzo el 25 de octubre de ese mismo año en Antena 3. En 2011, abandonó la serie y no participó en la tercera y última temporada.
Entre el 18 de julio y hasta el 24 de agosto de 2013, rodó en Madrid la película Por un puñado de besos, dirigida por David Menkes, junto a su compañero de reparto de la serie El internado Martín Rivas, Marina Salas y Megan Montaner, entre otros. La película se estrenó el 16 de mayo de 2014.
Después de trasladarse a Hollywood para seguir con su carrera, ha rodado en inglés Manos de piedra junto a Robert De Niro y Édgar Ramírez, Knock Knock de Eli Roth, Exposed junto a Keanu Reeves, War Dogs junto a Miles Teller y Jonah Hill y Overdrive junto a Scott Eastwood y Gaia Weiss. Ha protagonizado Blade Runner 2049, secuela de la original, junto a Harrison Ford, Ryan Gosling y Jared Leto.
De Armas estuvo casada con el actor español Marc Clotet de 2011 a 2013.
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