Евгения родилась 19 декабря 1972 года в Москве. Юношеское увлечение театром привело Дмитриеву сначала в театральную студию Кожуховского дома творчества, а затем в знаменитое Высшее театральное училище имени М. С. Щепкина. После окончания учебы Евгению пригласили в труппу Малого театра, где 21-летняя актриса начала свой творческий путь. В кино она впервые появилась только в 27 лет. Сыграла небольшую роль Фуфыгиной в ленте «Китайскiй сервиз» (1999). Затем были эпизодические появления в таких популярных фильмах, как «Брат 2», «Горе от ума», «Благословите женщину» и других. В начале актерской карьеры, в отличие от кино, Евгения получала крупные роли на театральных подмостках. Так, она сыграла Ольгу в чеховских «Трех сестрах» в проекте британского режиссера Деклана Доннеллана. С этим спектаклем Евгения объехала много стран, завоевав уважение театрального мира.
После 30-ти актриса начинает активно сниматься кино и на телевидении. В 32 года Евгения сыграла главную роль в сериале «Прощальное эхо» (2004), посвященном тоске о несбывшихся юношеских мечтах. А также главную роль в режиссерском проекте Андрея Панина «Полный вперед!» (2004), также повествующем о рефлексирующих бывших однокурсниках. Следом Дмитриева снялась в эпизодах таких известных картин, как «Бедные родственники» (2005) Павла Лунгина и «Эйфория» (2006) Ивана Вырыпаева.
В 2006-ом Алексей Колмогоров пригласил актрису на ведущую роль в комедию «Иностранцы», где она сыграла женщину, которая в разгар семейного торжества сообщает мужу о разводе. Следом появилась в образе матери-одиночки, ставшей свидетельницей преступления и узнавшей в убийце отца своего ребенка, в украинской ленте «Психопатка» (2007). В том же году Дмитриева стала героиней телекомедии Ольги Перуновской «Муж на час», где ее персонаж вынужден выдавать мужчину-ремонтника за отца своего ребенка.
Знаковой для Евгении становится работа в фильме Андрея Силкина «Заза» (2008). 36-летняя актриса сыграла главную роль, которая принесла актрисе награду – приз имени Александра Абдулова «За лучшую женскую роль в отечественном дебютном фильме» на кинофестивале «Дух огня». Ее героиня Заза приезжает в Москву навестить сына, но неожиданно сталкивается с холодным приемом. В столице женщина находит свое прошлое – первую любовь и отца ее ребенка. Уже немолодая Заза вновь влюбляется, но в молодого друга собственного сына, и пускается во все тяжкие… Актрисе удается точно передать тонкую психологию неудовлетворенной женщины.
Евгения соглашается на роли, как в сериалах, так и в полнометражных авторских лентах. Так, в 2011 году она стала героиней нашумевшей драмы Олега Погодина «Дом». В этой ленте, повествующей о распаде нескольких поколений семьи Шамановых, живущих во лжи, непонимании, пошлости и разврате, она исполнила роль старшей дочери Тамары. Ее героиня приезжает на юбилей деда из Москвы вместе с мужем, но единственное, чем обеспокоена дочь – это поступлением сына, за которого она просит у брата-криминального авторитета. Эгоистичная, лишенная духовной чуткости женщина, также погибает в финале, как и все семейство «вымирающих» Шамановых.
В следующем 2012 году Дмитриева перевоплотилась в образцовую жену Лиду, работницу швейной мастерской, которая сталкивается с изменой супруга, в теледраме «Поздняя любовь» (2012). В 2013-ом Евгения стала героиней биографических новелл о поэтессе Марине Цветаевой «Зеркала». За 14-летнюю карьеру Евгения Дмитриева снялась в более полусотни картин.
