Fille d'un couple d'artistes, Paula Beer prend des cours de théâtre dès l'âge de huit ans. Très vite, elle se passionne pour la scène ; la jeune fille s'initie même à la danse et rejoint à douze ans la troupe du Friedrichstadt-Palast de Berlin, un théâtre de revue parmi les plus renommés d'Europe dont elle foulera les planches pendant quatre ans.

C'est en 2009 que la jeune fille opère un tournant vers le cinéma. Alors lycéenne, elle passe le casting du film Poll réalisé par Chris Kraus ; malgré sa faible expérience, elle décroche le rôle principal face à 2 500 prétendantes. La prestation de l'actrice en herbe est remarquée par la critique, qui voit en elle une comédienne prometteuse ; sa carrière est alors lancée. Le bac en poche, elle incarne successivement la duchesse Sophie de Bavière dans le drame historique Ludwig II., puis tient le premier rôle féminin de The Dark Valley, sélectionné à la Berlinale, aux côtés de Sam Riley et Tobias Moretti. À la télévision comme au cinéma, ses rôles sont remarqués (Pampa Blues, 4 Kings).

En 2014, Paula Beer tourne dans son premier film hors des frontières allemandes : Diplomatie de Volker Schlöndorff, avec André Dussollier et Niels Arestrup. Elle a toutefois la mauvaise surprise de voir toutes ses scènes coupées au montage, si bien qu'elle ne fait plus partie de la distribution du long-métrage. Ce faux-départ est vite oublié lorsqu'elle obtient le rôle d'Anna dans Frantz de François Ozon, un drame intimiste en noir et blanc dans lequel elle donne la réplique à Pierre Niney. Unanimement salué par la critique, le film est sélectionné à Venise et vaut à l'actrice d'être nommée dans la catégorie Espoir féminin aux César.

Paula Beer est ensuite en tête d'affiche de Transit, dystopie réalisée par Christian Petzold (Barbara, Phoenix). En 2019, elle rejoint le très à la mode François Civil dans le film de sous-marin Le Chant du Loup, puis se glisse dans la peau du rôle-titre de Ondine (s'inspirant du conte romantique du même nom) l'année suivante. Une prestation qui lui permet de remporter l'Ours d'argent de la Meilleure actrice à la Berlinale. Parallèlement, la native de Mayence campe le personnage principal de la série Netflix Bad Banks, une jeune femme confrontée aux machinations sans scrupules du monde de la finance.