Paz Vega hizo su debut en televisión en la serie española Menudo es mi padre en 1997, protagonizada por el cantante de rumba El Fary. Encontró el éxito con la serie de televisión de 1999 7 Vidas, una serie inspirada en Friends, que se convirtió en una de las comedias domésticas más queridas de España. En 2001, protagonizó la película de Julio Médem, Lucía y el sexo, que la hizo obtener la atención de un público más amplio. Apareció en la película estadounidense James L. Brooks Espanglish (2004) junto a Adam Sandler; coprotagonizó con el actor estadounidense Morgan Freeman la película independiente Dame 10 razones, dirigida por Brad Silberling; en 2008, coprotagonizó junto a Gabriel Macht, Samuel L. Jackson y Scarlett Johansson en El espíritu, y en 2010, tuvo un papel en la película de Michele Placido, Vallanzasca - Gli angeli del male. Desde el 2016 interpretó el papel de Renata en la serie de Netflix The OA y en 2019 interpretó a Carmen Delgado en Rambo: Last blood. Paz Vega también ha colaborado con Manolo Caro, uno de los cineastas más reconocidos de México, en La vida inmoral de la pareja ideal (2017).