Nacida el 2 de enero de 1976 en Sevilla, España, Paz Vega comenzó su carrera en teatro y decidió convertirse en actriz. Comenzó a tomar clases de teatro antes de probar suerte en Madrid. Después de tan solo un par de meses en la capital hizo su debut en televisión. Ese es su papel más popular, el de Laura, una joven ingenua en la serie 7 Vidas en la que estuvo desde 1997 a 2000.

También interpretó el papel de Olga en la conocida serie de televisión Más que amigos dirigida por Manuel Ríos San Martin. Y con él dio su primer gran paso en el cine con la comedia Perdón, Perdón en 1998. Luego continuó con otra serie de televisión Compañeros dirigida por Pablo Barrera desde 1998 a 2002. Su primer papel fue en el año 1997 en la película de Pedro Olea, Más Allá del Jardín.

En 1999 se la vio en tres películas Zapping de Juan Manuel Chumilla, Sobreviviré de Alfonso Albacete y Nadie Conoce a Nadie de Mateo Gil que fue un gran éxito, protagonizada por Eduardo Noriega, Natalia Verbeke, Jordi Molla y Pedro Álvarez Osorio.

En 2000 trabajó en El Chico en la Puerta y en 2001 en Lucía y el Sexo de Julio Médem que supuso un vuelco decisivo en su carrera. Paz ganó el codiciado Goya a la actriz revelación. Entonces, rodó Solo Mía dirigida por Javier Balaguer y ese mismo año Pedro Almodóvar la elige para un papel en Hable con ella.

En 2002 trabajó en la película Al otro lado de la cama de Emilio Martínez Lázaro y luego en Carmen de Vicente Aranda.

En 2003 interpreta a Isabelle en Novo de Jean-Pierre Limosin junto a Anna Mouglalis, Eduardo Noriega y Julie Gayet. En 2004 se reencuentra con Ornella Muti y Santiago Millán en la película de Juan Calvo, Di que sí.

Su primera película en Estados Unidos fue la comedia romántica Spanglish de James Brooks. Junto a Adam Sandler y Téa Leoni se confirmó su talento como actriz, en esa película interpretaba el papel de una latinoamericana que se muda a Los Ángeles con su hija de 12 años. En el comienzo de la película es una chica de la limpieza de una familia americana que se enreda en una situación romántica.

La película se estrenó en 2004 y en Francia en febrero de 2005, Paz hizo una gira internacional de promoción y se la pudo ver en las portadas de las más prestigiosas revistas, Vogue, Elle, Glamour, Cosmopolitan, etc.

En 2005 trabaja en el thriller de Raúl García Un Ángel en La Oscuridad.

En 2006, ella fue uno de los "10 cosas o menos" de Brad Silberling (director de Casper, City of Angels, El compromiso [Moolight Mile]…) con Morgan Freeman. También participó en Fundido a negro de Oliver Parker (Fade to Black) con Christopher Walken, Diego Luna, Ana Galiena y Dani Houston y en Los Borgias dirigida por Antonio Hernandez.

En 2007 protagonizó Teresa, el cuerpo de Cristo de Ray Loriga, un drama basado en la vida de la mítica feminista española Santa Teresa, junto a Victoria Abril y Viggo Mortensen. También trabajó en La casa de las alondras (The lark farm) de los hermanos Taviani junto a Alessandro Preziosi, Tcheky Karyo y Ángela Molina.