Nach ihrem Schauspielstudium in Paris und London stand Green auf der Bühne, bevor sie erstmals in dem Film "Die Träumer" (2003) von Bernardo Bertolucci auftrat. In dem Film "Königreich der Himmel" (2005) von Ridley Scott spielte sie zusammen mit Orlando Bloom und Liam Neeson. Im "James-Bond"-Film "Casino Royale" (2006) spielte sie an der Seite von Daniel Craig ("James Bond") die Mitarbeiterin des britischen Schatzamtes "Vesper Lynd", in die sich der Agent verliebt. Erneut mit Craig sowie Nicole Kidman drehte sie den Fantasyfilm "Der Goldene Kompass", eine Romanverfilmung, die zu Weihnachten 2007 in die internationalen Kinos kam. Im September 2007 wurde erstmals ein Werbespot mit ihr ausgestrahlt, in dem sie unter der Regie von Wong Kar-Wai für den Dior-Duft „Midnight Poison“ warb. Außerdem machte sie Werbung für Montblanc. Seit 2015 ist sie die Markenbotschafterin für L’Oréal Professionnel. 2012 stand sie als "Angelique Bouchard" für Tim Burtons Horror-Komödie "Dark Shadows" vor der Kamera. 2014 mimte sie in der "Sin-City"- die "Ava Lord". Im gleichen Jahr war sie in "" – der Fortsetzung zu "300" (2007) – als persische Feldherrin Artemisia I. zu sehen. Von 2014 bis 2016 agierte sie in der Horrorserie "Penny Dreadful" in der Hauptrolle der "Vanessa Ives". 2017 war sie in Roman Polańskis Film "Nach einer wahren Geschichte" zu sehen, der seine Premiere bei den Internationalen Filmfestspielen von Cannes 2017 außerhalb des Wettbewerbs feierte.