Après avoir obtenu son diplôme d'études secondaires, Eva Mendes entreprend des études de marketing à Los Angeles qu'elle abandonnera pour se consacrer pleinement à sa carrière d'actrice qu'elle avait démarrée auparavant en apparaissant dans des séries comme Urgences ou Mortal Kombat.

C'est en 2001 qu'elle trouve son premier grand rôle en donnant alors la réplique à Denzel Washington dans Training Day. Ils se retrouveront deux ans plus tard sur le tournage d'Out of Time. Entre temps, elle intègre le casting de 2 Fast 2 Furious puis enchaine avec la suite de Desperado, ce qui fait d'elle une habituée des productions musclées. Souhaitant se détacher de cette image, elle prend part à des films plus légers comme Deux en un, Hitch, expert en séduction (où elle séduit Will Smith) ou encore Trust the Man dans lequel elle croise Maggie Gyllenhaal et Billy Crudup, deux acteurs montants.

Eva a donné la réplique à Nicolas Cage dans Ghost Rider, l'adaptation cinématographique du comic book éponyme. En 2003, elle apparait dans le clip The End Has No End des Strokes. Elle est considérée comme un véritable sex-symbol, à l'image d'Eva Longoria, une autre bomba latina. C'est notamment grâce à sa plastique qu'elle a décroché quelques prestigieux contrats publicitaires avec des marques telles Dolce & Gabanna ou Morgan, et devient une des égéries de la célèbre marque de cosmétique Revlon,elle prête également son image à la célèbre marque italienne de boisson alcoolisée Campari puis pose pour le calendrier associé. Eva Mendes s’est rendue de son propre gré au centre de désintoxication du cirque Lodge, dans l’Utah (le même centre que celui qu’a fréquenté Lindsay Lohan l’année dernière).

Anecdote: Eva Mendes aurait-elle honte de son âge ? : le mardi 16 janvier 2008, alors qu'elle faisait la promotion de son film Live ! au Grand Journal de Canal+, elle a affirmé (tout en mentionnant qu'elle était tout à fait décomplexée...) avoir 28 ans, alors qu'elle en avait 34.