Roberts est née d'une mère brésilienne et d'un père américain d'origine irlandaise. Elle a commencé sa carrière de mannequin à l'âge de quatorze ans avant de se tourner vers le cinéma, en 2003. Ses premiers rôles importants ont été celui d'Allie Harrington dans la série télévisée *Mystic River* (2007) et celui de Shelby, la cousine handicapée mentale de John Travolta dans *Un jour de pluie à Memphis* (2007).
Elle a ensuite joué dans plusieurs films notables tels que *The Private Lives of Pippa Lee* (2009), *Snowpiercer* (2013) et *Palm Springs* (2020). Elle a également participé à des projets télévisés tels que *The Normal Heart* (2014), pour lequel elle a remporté un Emmy Award, et la mini-série Netflix *When We Rise* (2017).
Eva Roberts est considérée comme une actrice polyvalente et a été acclamée pour ses talents d'actrice dramatique ainsi que pour son humour et sa capacité à jouer des rôles comiques. Elle est également connue pour sa carrière musicale : elle a sorti un album solo, *Bigger Than Life*, en 2011 et a participé à la série télévisée *American Horror Story: Coven* (2013-2014), dans laquelle elle interprète une sorcière qui chante.
Elle est également impliquée dans des causes sociales : elle milite pour les droits des femmes, les minorités ethniques et les personnes LGBT+. Elle a notamment été l'ambassadrice de bonne volonté de la campagne *Stand Up to Cancer* et a participé à un documentaire sur le suicide chez les jeunes nommé *The Bell Jar*.
En 2019, Roberts a annoncé qu'elle était enceinte de sa première enfant avec son compagnon, le chef cuisinier Kyle Glanville. Le couple a accueilli leur premier enfant en juin 2020.