Su padre es Rodrigo López de Ayala Sánchez-Arjona, descendiente de la nobleza rural de Extremadura y dos veces descendiente de Cristóbal Colón por Diego Colón, y su mujer Pilar Arroyo Gallego.
Comenzó su carrera con dieciséis años, cuando Ricardo Franco la eligió para ser la hija de Concha Velasco en la serie Menudo es mi padre. De ahí pasó a Al salir de clase y pronto dio el salto al cine con Báilame el agua.
La película Besos para todos le valió la nominación al Goya como mejor actriz revelación.
Consiguió su consagración como actriz con el papel protagonista en Juana la Loca, de Vicente Aranda, que le valió un premio Goya a la mejor interpretación femenina y la Concha de Plata a la mejor interpretación femenina en el Festival de Cine de San Sebastián.
En 2002 fue elegida para protagonizar el famoso anuncio navideño de la marca de cava Freixenet.
Además de castellano, habla inglés y francés, lo que le ha permitido desarrollar una carrera internacional con películas como El puente de San Luis Rey (Mary McGuckian, 2004) y Como los demás (Vincent Garenq, 2008).
En 2016, se encontraba viviendo en Estados Unidos, donde estudiaba la carrera de Historia del Arte.
Ha grabado su última película, El Manuscrito, en Italia, dirigida por Alberto Rondalli.