Pendant ses études de lettres et de philosophie, Carmen Maura effectue ses débuts de comédienne dans des troupes théâtrales universitaires. Elle se marie à vingt ans, dirige une galerie d'art madrilène, puis quitte sa famille et sa situation pour se produire dans des cabarets, poser dans des romans-photos et fréquenter les milieux interlopes de la capitale espagnole, en tournant dans des courts métrages à petit budget. C'est à cette époque qu'elle rencontre un certain Pedro Almodóvar.
Une grande partie de la carrière de Carmen Maura est intimement liée à celle du cinéaste Pedro Almodóvar. Elle compte déjà plusieurs films à son actif (sa première apparition à l'écran date de 1969, dans Las gatas tienen frío, de Carlos Serrano) lorsqu'ils tournent ensemble Pepi, Luci, Bom y otras chicas del montón (Pedro Almodóvar, 1981). Dès ce premier film, l'actrice devient l'égérie du réalisateur. Cette comédie policière donne la prééminence aux personnages féminins. Grâce aux films suivants, Carmen Maura accède à la renommée internationale. Elle campe une religieuse élevant un tigre (Dans les ténèbres, Pedro Almodóvar, 1983), une mère de famille dépassée par les événements (Qu'est-ce que j'ai fait pour mériter ça !, id., 1984) et un transsexuel excentrique à la limite du kitsch (La Loi du désir, id., 1987). On la voit encore dans Femmes au bord de la crise de nerfs (id., 1988). Elle prête également ses talents de comique anticonformiste à des réalisateurs français. Elle tient le rôle d'Anne d'Autriche dans Louis, enfant roi (Roger Planchon, 1992). Etienne Chatilliez dans Le Bonheur est dans le pré (1995), Jean-Pierre Mocky dans Alliance cherche doigt (1996) et André Téchiné dans Alice et Martin (1997) font également appel à elle. On la retrouve dans L'Enthousiasme (1998), un film poétique et baroque réalisé dans le désert par le Chilien Ricardo Larrain, propriétaire d'un immeuble dans Le Harem de Mme Osmane (2000) de Nadir Mokneche, agent immobilier dans La Communauté (2000) d'Alex de La Iglesia avec lequel elle remporte son troisième Goya de meilleure actrice, quelle retrouve en 2002 dans 800 balas. Elle joue une directrice d'hôtel méprisant son mari et étouffant son fils dans Reinas (2004), comédie de moeurs sur le mariage homosexuel en Espagne de Manuel Gómez Pereira. Après un petit rôle dans Free zone (2004), d'Amos Gitaï, elle retrouve Almodovar, dix huit ans après Femmes au bord de la crise de nerfs, dans Volver (2005), tragi-comédie dans la grande tradition almodovardienne ou trois générations de femmes survivent au vent, au feu, et même à la mort, grâce à leur bonté, leur audace et à une vitalité sans limites, interprétation récompensée par le Goya de la meilleure actrice dans un second rôle. En 2008, elle joue dans Tetro, un drame familial de Francis Ford Coppola, où elle tient le rôle du professeur, mentor de Tetro.
Carmen Maura devient populaire en présentant une émission de talk-show impertinente : Buenas noches. On la voit à la télévision dans Mieux vaut courir (Elisabeth Rappeneau, 1989). Au théâtre, elle a travaillé notamment avec Jean-Michel Ribes.
Courts métrages 1969 | Espiritu (El) | Juan Tamariz |
| 1971 | Mantis | Luis Mamerto Lopez-Tapia |
| 1974 | Don Juan | Antonio Mercero |
| 1974 | Tanata | Luis Mamerto Lopez-Tapia |
| 1976 | Ir por lana | Miguel Ángel Díez |
| 1976 | Pomporrutas imperiales | Fernando Colomo |
| 1976 | Una pareja como las demas | Miguel Ángel Díez |
| 1978 | Menos mi madre y mi hermana | Jaime Villate |
| 1978 | Mi blanca Varsovia | Javier Quintana |
| 1979 | Café, amor y estereofonia | Miguel Ángel Polo |
| 1979 | Tal vez manana | Antonio del Real |
| 1988 | 2.30 A.M. | Alejandro Toledo |
| 2001 | Apagon (El) | José María Caro |
Longs métrages| 1969 | Gatas tienen frio (Las) | Carlos Serrano |
| 1970 | Hombre oculto (El) | Alfonso Ungria |
| 1973 | Asesino esta entre los trece (El) | Javier Aguirre |
| 1973 | Love feroz o cuando los hijos juegan al amor (El) | José Luis García Sánchez |
| 1973 | Un casto varon espanol | Jaime de Armiñán |
| 1974 | Encadenada = El Diario de una asesina (La) | Manuel Mur Oti |
| 1974 | Léonor | Juan Luis Buñuel |
| 1975 | Opera en Marineda | Pilar Miro |
| 1975 | Vida intima de un seductor cinico | Javier Aguirre |
| 1976 | Libro del buen amor II (El) | Jaime Bayarri |
| 1976 | Mujer es cosa de hombres (La) | Jesús Yagüe |
| 1976 | Peticion (La) | Pilar Miro |
| 1977 | De fresa, limon y menta | Miguel Ángel Díez |
| 1977 | Folle, folle, folleme Tim ! | Pedro Almodóvar |
| 1977 | Tigres de papel | Fernando Colomo |
| 1978 | Ojos vendados (Los) Les Yeux bandés | Carlos Saura |
| 1978 | Que hace una chica como tu en un sitio como este ? | Fernando Colomo |
| 1979 | Aquella casa en la afueras | Eugenio Martín |
| 1980 | Gary Cooper que estas en los cielos | Pilar Miro |
| 1980 | Hombre de moda (El) | Fernando Méndez-Leite |
| 1980 | Mano negra (La) | Fernando Colomo |
| 1980 | Pepi, Luci, Bom y otras chicas del monton Pepi, Luci, Bom et autres filles du quartier | Pedro Almodóvar |
| 1982 | Femenino singular | Juanjo López |
| 1983 | Cid cabreador (El) | Angelino Fons |
| 1983 | Entre tinieblas Dans les ténèbres | Pedro Almodóvar |
| 1983 | Sal gorda | Fernando Trueba |
| 1984 | Sé infiel y no mires con quién | Fernando Trueba |
| 1984 | ¿Qué he hecho yo para merecer esto! Qu'est-ce que j'ai fait pour mériter ça ? | Pedro Almodóvar |
| 1985 | Extramuros | Miguel Picazo |
| 1986 | Ley del deseo (La) Loi du désir | Pedro Almodóvar |
| 1986 | Matador | Pedro Almodóvar |
| 1986 | Tata mia | José Luis Borau |
| 1987 | Mujeres al borde de un ataque de nervios Femmes au bord de la crise de nerfs | Pedro Almodóvar |
| 1988 | Bâton Rouge | Rafael Moleón |
| 1989 | Ay, Carmela ! | Carlos Saura |
| 1991 | Chatarra | Felix Rotaeta |
| 1991 | Como ser mujer y no morir en el intento | Ana Belén |
| 1991 | Louis, enfant roi | Roger Planchon |
| 1991 | Sur la terre comme au ciel | Marion Hänsel |
| 1992 | Reina anonima (La) | Gonzalo Suarez |
| 1992 | Sombras en una batalla Des ombres dans une bataille | Mario Camus |
| 1993 | Como ser infeliz y disfrutarlo | Enrique Urbizu |
| 1995 | Amores que matan Des amours qui tuent | Juan Manuel Chumilla |
| 1995 | Bonheur est dans le pré (Le) | Etienne Chatiliez |
| 1995 | Palomo cojo (El) | Jaime de Armiñán |
| 1995 | Rey del rio (El) | Manuel Gutiérrez Aragón |
| 1995 | Una pareja de tres | Antoni Verdaguer |
| 1996 | Alliance cherche doigt | Jean-Pierre Mocky |
| 1996 | Elles | Luís Galvão Teles |
| 1996 | Tortilla y cinema | Martin Provost |
| 1997 | Alice et Martin | André Téchiné |
| 1998 | Entusiasmo (El) L'Enthousiasme | Ricardo Larraín |
| 1998 | Lisboa | Antonio Hernández |
| 1998 | Superlove | Jean-Claude Janer |
| 1999 | Cometa (El) L'Année de la comète | Maryse Sistach, José Buil |
| 1999 | Harem de Madame Osmane (Le) | Nadir Moknèche |
| 2000 | Carretera y manta | Alfonso Arandia |
| 2001 | Arregui, la noticia del dia | María Victoria Menis |
| 2001 | Clara y Elena | Manuel Iborra |
| 2001 | Comunidad (La) Mes chers voisins | Álex de la Iglesia |
| 2001 | Palo (El) | Eva Lesmes |
| 2002 | 800 balas 800 balles | Álex de la Iglesia |
| 2002 | Assassini dei giorni di festa | Damiano Damiani |
| 2002 | Pacte du silence (Le) | Graham Guit |
| 2002 | Valentin | Alejandro Agresti |
| 2002 | Ventre de Juliette (Le) | Martin Provost |
| 2003 | 25 degrés en hiver | Stéphane Vuillet |
| 2003 | Promesa (La) [La Promesse] | Héctor Carré |
| 2004 | Free Zone | Amos Gitai |
| 2004 | Reinas | Manuel Gómez Pereira |
| 2005 | Escalade | Charlotte Silvera |
| 2005 | Volver | Pedro Almodóvar |
| 2006 | Hécuba, un sueño de pasión | Arantxa Aguirre, José Luis Lopez-Linares |
| 2008 | Tetro | Francis Ford Coppola |
| 2009 | Chicas | Yasmina Reza |
| 2009 | Mac (Le) | Pascal Bourdiaux |
| 2010 | Femmes du sixième étage (Les) | Philippe Le Guay |
| 2010 | Let my people go ! | Mikael Buch |
| 2012 | Paulette | Jérôme Enrico |
| 2013 | Brujas de Zugarramurdi (Las) Les Sorcières de Zugarramurdi | Álex de la Iglesia |
| 2013 | Un village presque parfait | Stéphane Meunier |
| 2014 | Chaises musicales (Les) | Marie Belhomme |
| 2014 | Vanité (La) | Lionel Baier |
| 2016 | Sales gosses | Frédéric Quiring |
| 2017 | Fête des mères (La) | Marie-Castille Mention-Schaar |
| 2018 | Ma famille et le loup | Adrià García |