Audrey Dana naît le 21 septembre 1977 dans la Beauce. La jeune femme se passionne pour la comédie et suit les cours du conservatoire d’Orléans. Elle y obtient le prix dramatique et intègre alors la prestigieuse École supérieure d’art dramatique de Paris. À la sortie de l’école, elle est repérée par le réalisateur Claude Lelouch qui lui confie un rôle dans Roman de gare. Elle est nommée aux César 2007 pour sa performance. Deux ans plus tard, elle est à nouveau nommée pour son rôle dans Welcome, aux côtés de Vincent Lindon. Elle tourne pour Bertrand Blier la même année dans Le Bruit des glaçons et donne la réplique à Jean Dujardin dans 600 kilos d’or pur. Elle retrouve le théâtre en 2010 avec la pièce Audition, et joue par la suite des œuvres du répertoire classique, dont Le Paradis sur terre de Tennesse Williams en 2011 et Le Dindon de Feydeau l’année suivante. Depuis, l'actrice s’est essayée à la réalisation, en signant le long-métrage Sous les jupes des filles en 2014.
Côté vie privée, Audrey Dana a été la compagne du réalisateur Mabrouk El Melchri avec lequel elle a un fils, Lee, né en 2008. En 2012, le couple se sépare. L'actrice a un fils aîné, Lucca, issu d'une précédente relation. En 2016, elle épouse le producteur Olivier Delbosc, son compagnon depuis plusieurs années.