Carmen Maura vient d'une grande famille espagnole. Elle compte comme aïeul l'homme politique conservateur Antonio Maura, cinq fois premier ministre au début du {{XXe siècle}}. Francophone, elle a étudié la philosophie et la littérature à l'école nationale supérieure des beaux-arts de Paris.
Carmen Maura a commencé sa carrière comme chanteuse de cabaret. Elle a débuté au cinéma en 1970 par une apparition dans The Man in Hiding. Elle obtient son premier rôle important en 1977 dans les Tigres de papier (Tigres de papel) de Fernando Colomo.
Bien qu'elle ait joué plusieurs rôles dramatiques, elle a été souvent remarquée pour ses interprétations dans des comédies. Elle est apparue dans le premier film de Pedro Almodóvar, Pepi, Luci, Bom et autres filles du quartier (Pepi, Luci, Bom y otras chicas del montón). Le cinéaste en fait l'une de ses actrices fétiches et collabore avec elle dans cinq autres films, dans les années 1980, dont le point d'orgue est Femmes au bord de la crise de nerfs (Mujeres al borde de un ataque de nervios) en 1988. Pour sa prestation, elle se voit décerner le Goya du cinéma espagnol et le tout premier Félix de la meilleure actrice européenne. Elle gagne de nouveau le Goya et le Félix du premier rôle pour ¡Ay, Carmela! de Carlos Saura, deux ans plus tard.
En 2001, un troisième Goya jalonne sa carrière pour la comédie policière Mes chers voisins d'Álex de la Iglesia. Ce trophée fait d'elle la comédienne la plus récompensée en Espagne.
En 2006, elle reçoit le prix d'interprétation féminine au Festival de Cannes, commun aux cinq actrices principales du film Volver.
En 2012, elle reçoit le César de la meilleure actrice dans un second rôle pour le film Les Femmes du {{6e}} étage.