De Armas, Manuel Gutiérrez Aragon'un romantik draması Una rosa de Francia'da rol aldı. Daha sonra El edén perdido (2007) filminde rol aldı ve daha sonra Fernando Pérez'in Madrigal'inde (2007) küçük bir rol oynadı. Ve ardından El Internado dizisinde oynadı. İngilizce öğrenmek için New York'ta birkaç ay geçirdikten sonra De Armas, tarihsel drama Hispania'nın (2010-2011) on yedi bölümünde oynaması için İspanya'ya dönmeye ikna edildi. Sonrasında De Armas, Los Angeles'a taşınmaya karar verdi.
De Armas, ilk olarak Eli Roth'un erotik korku filmi Knock Knock'ta (2015) Keanu Reeves ile beraber oynadı. De Armas, War Dogs'da (2016) destekleyici bir rol almıştır. Ayrıca aynı yıl çıkan Biopic Hands of Stone'da rol aldı. Denis Villeneuve'nin fütüristik gerilim filmi Blade Runner 2049'da (2017) De Armas'ın destekleyici bir rolü daha vardır. Ayrıca 2017'de Scott Eastwood'un karakterinin aşkı olarak aksiyon gerilim Overdrive'da destekleyici bir rol oynadı. De Armas, Rian Johnson tarafından yönetilen cinayet gizemi filmi Knives Out'ta (2019) göçmen hemşire olarak rol almıştır.
De Armas'ın 2020'de ABD'de yayımlanması planlanan yedi filmi vardır. Suç gerilim filmi The Informer'da Sofia Hoffman olarak oynamıştır. De Armas suç draması The Night Clerk'te femme fatale olarak rol almıştır. Armas, sonra da Olivier Assayas'ın Netflix casus gerilim filmi Wasp Network'te rol almıştır. De Armas, 2020'nin sonlarında iki filmde rol alacaktır. Cary Joji Fukunaga'nın No Time to Die filminde bir Bond kızını canlandırmıştır. Ayrıca Patricia Highsmith'in romanından uyarlanan Adrian Lyne'in erotik gerilim filmi Deep Water'da rol alacaktır.
De Armas, Joyce Carol Oates'in aynı adlı biyografik kurgu romanından uyarlanan Netflix yapımı Blonde (2022) filminde Marilyn Monroe'yu canlandırdı. Yönetmen Andrew Dominik, De Armas'ın Knock Knock filmindeki performansını fark etti ve uzun bir oyuncu seçme sürecinden geçmesine rağmen ilk seçmelerden sonra rolü ona verdi. Hazırlık aşamasında De Armas bir yıl boyunca bir lehçe koçuyla çalıştı, Oates'in romanını okudu ve ayrıca role hazırlanmak için yüzlerce fotoğraf, video, ses kaydı ve film üzerinde çalıştığını söyledi.
