Fille des comédiens Hippolyte Girardot et Isabel Otero, Ana Girardot s'envole pour New York à l'âge de 18 ans où elle prend des cours de théâtre pendant deux ans. Révélée au grand public en 2010 dans le troublant Simon Werner a disparu..., le premier long-métrage de Fabrice Gobert dans lequel la graine d'actrice campe Alice, une lycéenne aussi belle que mystérieuse, petite amie du fameux Simon évaporé en pleine forêt. Silhouette longiligne, jambes à demi croisées et chevelure rousse en cascade, c'est même elle qui figure, de dos, sur l'affiche du film.

Elle apparaît ensuite dans le premier épisode de la septième saison de la série Diane, femme flic (2009), dans laquelle sa mère tient le rôle principal. Puis, c'est la plume de NRJ, Romain Levy, qui lui confie un petit rôle dans son premier film, la comédie Radiostars (2012), où elle interprète le personnage de Sabrina, qui convainc son copain Alex (Manu Payet), journaliste radio chez Blast Fm, d'engager Ben (Douglas Attal) comme rédacteur pour l'émission. La même année, Ana Girardot donne la réplique à Jérémie Renier dans le biopic tout en paillettes Cloclo, se glissant alors dans la peau d'Isabelle Forêt, ancienne épouse de Claude François, avec qui il aura deux enfants.

Décidément, l'année 2012 sourit à la jeune femme de 24 ans, qui retrouve Fabrice Gobert - celui grâce à qui tout à commencer - à l'occasion de la série Les Revenants, diffusée sur Canal + depuis novembre 2012, et reconduite pour une deuxième saison fin 2014. Dans cette série hantée, lauréate du Globe de cristal 2013 de la Meilleure Série, Ana Girardot y est Lucy Clairsene, une serveuse au Lake Pub qui a le don de communiquer avec les morts. Toujours en 2013, elle se glisse dans la peau de la fille de Gérard Lanvin et fait craquer son ami Jean-Hugues Anglade dans Amitiés sincères.

À l'été 2014 dans la romance sociale Le Beau Monde, la belle Ana incarne Alice, une Bayeusaine de 23 ans passionnée de broderie, qui débarque à Paris où elle rencontre Antoine (Bastien Bouillon), parisien issu d'un milieu très aisé. Variant les genres, elle est la même année à l'affiche du policier La Prochaine fois je viserai le coeur.

Ana croise ensuite la route de Gérard Depardieu et Benoît Poelvoorde dans Saint Amour en 2016. L'année suivante, la jeune femme rejoint ensuite le casting de Ce qui nous lie, nouveau drame de Cédric Klapisch. Elle y campe Juliette, la soeur de Jean alias Pio Marmai. La même année, la comédienne remplace Sara Forestier au pied levé dans Bonhomme de Marion Vernoux. En effet, après une altercation avec Nicolas Duvauchelle sur le plateau du film, la révélation de L'Esquive est renvoyée au profit d'Ana Girardot. Elle poursuit dans la romance moderne de Klapisch Deux moi et le fantastique Ogre.

Parallèlement, la native de Clamart incarne Anne l'institutrice dans la série comique La Flamme puis prend part à la série d'espionnage Totems.