Eve hat in Fernsehdramen wie The Rotters‘ Club der BBC, Agatha Christies Poirot und Hawking mitgewirkt und die Hauptrolle in dem Drama Stage Beauty (2004) gespielt.
Im Jahr 2006 spielte sie in zwei Komödien mit: Starter for 10 und Big Nothing (in dem sie und ihr Co-Star Simon Pegg einen amerikanischen Akzent anlegten). Anfang 2006 verbrachte sie in Indien, wo sie an der Drama-Miniserie Losing Gemma über Rucksacktouristen mitwirkte.
Auf der Bühne trat Eve in zwei Theaterstücken unter der Regie von Trevor Nunn auf. Im Jahr 2006 spielte sie die junge Esme/Alice in dem neuen Tom Stoppard-Stück Rock ’n‘ Roll am Royal Court Theatre und wiederholte ihre Rolle später für die Broadway-Verfilmung 2007. Für diese Darstellung wurde sie bei den Whatsonstage.com Theatregoers‘ Choice Awards für die beste Nebendarstellerin nominiert.
Im Jahr 2009 spielte sie Roxane in einer Inszenierung von Cyrano de Bergerac am Chichester Festival Theatre.
Im Jahr 2010 spielte Eve die weibliche Hauptrolle in der amerikanischen romantischen Komödie She’s Out of My League, in der ihre Eltern die Rollen der Eltern ihrer Figur spielen. Sie spielte auch die Rolle von Erin, Charlottes irischem Kindermädchen, in Sex and the City 2.
Im Jahr 2011 hatte Eve eine wiederkehrende Gastrolle in Staffel 8 der HBO-Serie Entourage, als Sophia, eine Journalistin und Liebesbeziehung zu Vincent Chase. 2011 verkörperte Eve außerdem die Hollywood-Schauspielerin Lara Tyler in der romantischen Komödie The Decoy Bride. Eve ist auch für ihre Rolle der Dr. Carol Marcus in Star Trek Into Darkness bekannt.
Im Jahr 2012 spielte sie die jüngere 1969er Version von Agent O in der Sci-Fi-Komödie Men in Black 3, die ältere Version wurde von Emma Thompson gespielt.
Eve nahm an der Eröffnungssitzung der Consumer Electronics Show 2013 teil. Sie trat in Paul McCartneys Musikvideo „Queenie Eye“ (2013) und in Rixtons Musikvideo „Hotel Ceiling“ (2015) auf.
Im Jahr 2013 spielte sie eine Co-Hauptrolle in dem romantischen Drama Before We Go mit Chris Evans, der bei dem Film auch Regie führte. Sie spielte sich selbst in dem Hollywood-Film Night at the Museum: Secret of the Tomb (2014) und hat seitdem in mehreren Produktionen mitgespielt, darunter der Action-Thriller Criminal (2016).
Im Jahr 2016 trat sie in „Nosedive“ auf, einer Episode der Anthologie-Serie Black Mirror. Im Dezember 2017 trat Eve als Mary Walker in der Netflix-Serie Iron Fist auf.