Audrey Dana a grandi dans la Beauce au sein d'une famille de quatre enfants. Elle suit des cours de théâtre, obtient le premier prix d'art dramatique du conservatoire National d'Orléans, puis poursuit sa formation à l'École supérieure d'art dramatique de Paris.
Après deux années à New York, elle revient en France où elle enchaîne les rôles au théâtre, notamment dans Nos amis les humains ou encore La sœur du Grec. Elle rencontre Claude Lelouch qui lui propose le rôle d'Huguette dans Roman de gare avec Dominique Pinon et Fanny Ardant, rôle pour lequel elle sera nommée aux César dans la catégorie meilleur espoir féminin.
Elle reçoit le Prix Romy Schneider en 2008.
Elle s'essaye ensuite aux comédies avec Ce soir je dors chez toi (2007) d'Olivier Baroux, La Différence c'est que c'est pas pareil (2009) de Pascal Laëthier, ou encore Tellement proches (2009) d'Éric Toledano et Olivier Nakache avec Vincent Elbaz, Isabelle Carré, François-Xavier Demaison et Omar Sy.
Audrey se voit confier le rôle de Marion dans Welcome (2009), de Philippe Lioret, où elle partage l'affiche avec Vincent Lindon. Elle sera de nouveau nommée aux César pour ce rôle.
En 2009, elle tourne avec Bertrand Blier dans Le Bruit des glaçons avec Jean Dujardin, 600 kilos d'or pur d'Éric Besnard et Nous trois de Renaud Bertrand.
Elle retrouve Claude Lelouch pour interpréter le rôle d'Ilva dans Ces amours-là aux côtés de Laurent Couson, Raphaël, Dominique Pinon, Samuel Labarthe, Jacky Ido et Anouk Aimée.
En 2010, elle remonte sur les planches, dans Audition de Jean-Claude Carrière, avec Jean-Pierre Marielle et Manu Payet, au Théâtre Édouard VII, mis en scène par Bernard Murat.
Audrey Dana sera de nouveau dirigée par Bernard Murat, dans une pièce de Tennessee Williams : Le paradis sur terre avec Johnny Hallyday et Julien Cottereau dès le mois de septembre 2011 au Théâtre Édouard VII.
Parallèlement à sa carrière de comédienne, Audrey Dana, s'exerce également au métier de scénariste et de réalisatrice. Elle écrit et réalise le court-métrage 5 à 7 (2008) avec Jocelyn Quivrin et envisage de tourner un long métrage : Des betteraves à Noël.