Eve har medverkat i tv-dramer som BBC:s The Rotters’ Club, Agatha Christies Poirot and Hawking och spelat huvudrollen i dramafilmen Stage Beauty (2004).
2006 medverkade hon i två komedifilmer: Starter for 10 och Big Nothing (där hon och medspelaren Simon Pegg tog på sig amerikanska accenter). Hon tillbringade den första delen av 2006 i Indien för att arbeta med dramaminiserien Losing Gemma om backpackers.
På scenen har Eve medverkat i två pjäser regisserade av Trevor Nunn. År 2006 spelade hon den unga Esme/Alice i Tom Stoppards nya pjäs Rock ’n’ Roll på Royal Court Theatre, och återupptog senare sin roll i Broadway-versionen 2007. För denna föreställning nominerades hon till priset för bästa kvinnliga biroll vid Whatsonstage.com Theatregoers’ Choice Awards.
År 2009 spelade hon Roxane i en uppsättning av Cyrano de Bergerac på Chichester Festival Theatre.
År 2010 spelade Eve den kvinnliga huvudrollen i den amerikanska romantiska komedin She’s Out of My League, där hennes föräldrar spelar rollerna som hennes karaktärs föräldrar. Hon spelade också rollen som Erin, Charlottes irländska barnflicka, i Sex and the City 2.
Under 2011 hade Eve en återkommande gästroll i säsong 8 av HBO-serien Entourage, som Sophia, en journalist och kärleksintresse för Vincent Chase. Under 2011 porträtterade Eve även Hollywoodskådespelerskan Lara Tyler i den romantiska komedin The Decoy Bride. Eve är också känd för sin roll som Dr Carol Marcus i Star Trek Into Darkness.
2012 spelade hon den yngre 1969 års versionen av Agent O i sci-fi-komedin Men in Black 3. Den äldre versionen spelades av Emma Thompson.
Eve deltog i öppningssessionen av Consumer Electronics Show 2013. Hon medverkade i Paul McCartneys musikvideo ”Queenie Eye” (2013); och i Rixtons musikvideo ”Hotel Ceiling” (2015).
År 2013 medverkade hon i det romantiska dramat Before We Go tillsammans med Chris Evans, som också regisserade filmen. Hon spelade sig själv i Hollywoodfilmen Night at the Museum: Secret of the Tomb (2014) och har sedan dess medverkat i flera produktioner, bland annat i actionthrillern Criminal (2016).
2016 medverkade hon i ”Nosedive”, ett avsnitt av antologiserien Black Mirror. I december 2017 deltog Eve i Netflix serie Iron Fist som Mary Walker.