Marina Hands est la fille de l'actrice française Ludmila Mikaël et du metteur en scène britannique Terry Hands qui fut, un temps, à la tête de la prestigieuse Royal Shakespeare Company.
Passionnée d'équitation dès le plus jeune âge et jeune cavalière internationale de sauts d'obstacles dans les années 90, Marina Hands vivra toujours comme un échec le fait de n'avoir pu en faire sa profession.
Elle se tourne vers la comédie et entre au Cours Florent en 1995, avant de poursuivre sa formation au Conservatoire national supérieur d'art dramatique puis à la London Academy of Music and Dramatic Art.
Au théâtre, elle joue dans Le Bel Air de Londres – qui lui vaut une nomination au Molière de la révélation théâtrale de l'année en 1999 –, Cyrano de Bergerac sous la direction de Jacques Weber, ou Phèdre mis en scène par Patrice Chéreau.
À la télévision, elle obtient deux prix d'interprétation pour sa prestation dans Un pique-nique chez Osiris en 2000. Enfin sur grand écran, elle est dirigée par Andrzej Żuławski dans La Fidélité et Les Invasions barbares de Denys Arcand, puis apparait en 2006 dans Ne le dis à personne de Guillaume Canet, Lady Chatterley puis Le Scaphandre et le Papillon. Cette même année, la Comédie-Française, l'accueille comme pensionnaire le 1{{er}} janvier 2006 et lui offre le rôle de la princesse dans Tête d'or de Paul Claudel. Claudel, auteur qu'elle retrouve ensuite avec le rôle d'Ysé du Partage de midi, qui lui valut une nomination aux Molières 2008.
Elle fut récompensée par le César de la meilleure actrice pour le film Lady Chatterley de Pascale Ferran ainsi que le prix de la meilleure actrice romantique pour Ensemble nous allons vivre une très très grande histoire d'amour de Pascal Thomas au festival de Cabourg en 2010.
En 2011, elle apparaît également dans le clip de L'été summer, chanson extraite de l'album Bichon de Julien Doré avec qui elle a été en couple jusqu'en 2012.
En janvier 2012, elle est nommée officier de l'ordre des Arts et des Lettres.
En 2014, Marina devient ambassadrice de l'association JustWorld International.