Ana Girardot est née le 1er août 1988 à Paris.

Avec ses parents Isabel Otero et Hippolyte Girardot, elle fréquente très tôt les plateaux de cinéma et les coulisses des théâtres. Elle étudie à Paris et obtient un bac littéraire à 18 ans. La même année, elle part vivre à New York et suit une formation de deux ans avec Sheila Gray au sein de la Sheila Grey Compagnie.

À son retour en France en 2008, Ana obtient le rôle d'Alice dans Simon Werner a disparu de Fabrice Gobert. Le film est sélectionné à Cannes en 2009 dans la catégorie Un certain regard. En 2010, elle joue aux côtés d'Anne Parillaud dans Yvette, adaptation d'une nouvelle de Guy de Maupassant réalisée par Olivier Schatzky. En 2011, Florent Emilio Siri lui propose le rôle d'Isabelle Foret dans Cloclo, avec Jérémie Renier et Benoît Magimel. Elle obtient la même année le prix Premier rendez-vous du Festival de Cabourg. En 2012, elle est la fille de Gérard Lanvin dans l'adaptation au cinéma de la pièce de théâtre Amitiés sincères de François Prévôt-Leygonie et Stephan Archinard. Dans le premier film d'Andréa Di Stefano Paradise Lost, elle donne la réplique à Benicio Del Toro, Josh Hutcherson et Brady Corbet.

Par la suite, elle retrouve Fabrice Gobert pour la série Les Revenants, diffusée sur Canal+.

En janvier 2014, l'adaptation par Nicolas Briançon de Roméo & Juliette lui permettra de monter pour la première fois sur scène, aux côtés de Niels Schneider.