Diplomada pela Escola Superior de Arte Dramática de Paris, Dana atuou em peças como Le carton (2001), Revoir Amélie (2008) e Nos amis les humains (2004). Durante a filmagem do longa Nos amis les terriens (2006), de Bernard Werber, conhece Claude Lelouch, que a convida para encarnar Huguette em Crimes de autor (2007), papel que lhe concede o prêmio Romy Schneider e uma indicação ao César 2008 na categoria revelação feminina. Em paralelo ao trabalho de atriz, Audrey Dana também exerce o papel de roteirista e diretora. Em 2008, escreve e dirige o curta-metragem 5 à 7. Segue atuando em filmes como Esses amores (2010), de Lelouch, Le bruit des glaçons (2010), de Bertrand Blier, e Paris follies (2014), de Marc Fitoussi. O primeiro longa-metragem de Audrey Dana, O que as mulheres querem, foi lançado em 2014.