Евгения Дмитриева родилась 19 декабря 1972 года в Москве. В юношеском возрасте увлекалась театром. Посещала театральную студию Кожуховского дома творчества, позднее поступила в Высшее театральное училище имени М. С. Щепкина (курс Н. А. Верещенко). Наставницей Дмитриевой была актриса Римма Солнцева. В 1994 году окончила училище и стала актрисой Малого театра, где проработала до 2015 года.
Дебютировала на сцене в постановке «Самостоятельная работа». В 1998 году появилась на сцене Театра имени Моссовета в спектакле «Горе от ума» режиссёра Олега Меньшикова. Позднее играла в спектаклях антрепризной компании Меньшикова «Театральное товарищество 814». В 2005 году исполнила роль Ольги в спектакле «Три сестры» британского режиссёра Деклана Доннеллана. В 2013 году в Доме Высоцкого на Таганке поставила спектакль «Зойкина квартира».
С 1996 года преподавала в ВТУ им. М. С. Щепкина актёрское мастерство. С 2013 года преподаёт в Школе-студии МХАТ (курс Е. А. Писарева).
С конца 1990-х годов активно снимается в кино и на телевидении. По данным на 2022 год, Дмитриева приняла участие более чем в 150 киноработах.