Ses années de formation se partagent entre l'Italie et l'Angleterre. En 1989, Maya Sansa commence à étudier l'art dramatique avec Alessandro Fabrizi au "Teatro dei cossi" à Rome. Puis elle travaille avec Isabella Del Bianco et Cristiano Censi. A Londres, elle suit le Shakespeare Audition Course de Rodney Archer à City Lit et sort diplômée de la Guildhall School of Music and Drama.
Remarquée pour sa prestation dans La meglio gioventu (Nos meilleures années) de Marco Tullio Giordana, Maya Sansa est aussi l'actrice principale du film de Fiorella Infascellu Un bellissimo Tramoto, présenté au Festival de Locarno. Elle a déjà travaillé avec Marco Bellocchio qui a révélé son talent dans La balia (La nourrice) en 1998. L'année suivante, Maya Sansa tient le rôle principal dans Terra di Nessuno de Gianfranco Giagni. En 2001, elle a joué dans Benzina de Monica Stambrini et Fratelli di Sangue de Nicola de Rinaldo.
En 2008, on la retrouve dans le casting du film de Jean-Paul Salomé, Les femmes de l'ombre, une histoire dédiée aux femmes résistantes pendant la guerre. Sophie Marceau, Marie Gillain, Julie Depardieu font partie des actrices auxquelles elle donne la réplique. Maya Sansa intègre le casting de l'adaptation du roman de Pascal Quignard, Villa Amalia, portée à l'écran par Benoît Jacquot avec Isabelle Huppert. Le film sort en avril 2009.
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