Eva Birthistle nació en Dublín y se trasladó a Irlanda del Norte donde permaneció la mayoría de su infancia antes de regresar a Dublín para adquirir experiencia en la Gaiety School of Acting. Tras graduarse, Eva trabajó en cortos y no tardó mucho en lograr un papel en uno de los culebrones televisivos más seguidos de Irlanda desde 1983: Glenroe (1983-2001). Trasladándose a Londres, le sobrevino más trabajo televisivo, entre el que se cuenta el emocionante y conmovedor docudrama de Jimmy McGovern, Sunday (2002), y la serie Trust (2003), de John Strickland. La actriz vio su primera oferta para un largometraje en All Soul's Day (1997), de Alan Gilsenan, al que siguió casi inmediatamente trabajo en Borstal Boy (2000), de Peter Sheridan; A por todas (Saltwater, 2000), para Conor McPherson; además del telefilm The American (2001), junto a Matthew Modine y Diana Rigg, y el film Timbuktu (2004), nuevamente para Alan Gilsenan.

Sin embargo, fue la encarnación que hizo la actriz de Roisin en el film de Ken Loach, Sólo un beso (Ae Fond Kiss, 2005) la que realmente atrajo la atención de la industria. Cuando el film tuvo su première en el Festival de Cine de Berlín, Eva resultó elegida para representar al Reino Unido como una de las Shooting Stars, que promociona los mejores talentos de Europa. A ello siguió una sucesión de premios y nominaciones. La actriz ganó junto a Kate Winslet el premio a la actriz británica del año en los Premios de la crítica cinematográfica de Londres, y recibió el título de mejor actriz en los Premios del cine y la televisión irlandeses del año 2004 por su interpretación. También resultó nominada en la misma categoría en los BAFTAs escoceses de 2004 y en los Premios cinematográficos de cine independiente británico del mismo año.

Seguidamente, Eva dio vida a la protagonista femenina, Eily Bergin, en el film de Neil Jordan, Desayuno en Plutón (Breakfast on Pluto, 2006), junto a Liam Neeson y Cillian Murphy. Enmarcada en la década de los 70, esta película resigue las evoluciones de Patrick ‘Kitten’ Braden (Murphy), un niño adoptivo mientras se cría y vive parapetado en la vida provinciana de Irlanda, donde ha renacido como cantante de cabaret travestido. El film se exhibió por primera vez en el Festival de cine de Nueva York de octubre de 2005, y se estrenó en los Estados Unidos en noviembre del mismo año y en el Reino Unido en enero de 2006.

El siguiente film de Eva fue Middletown (2006), que tuvo première en el Festival de cine de Tribeca en abril de 2006. Se rodó en Irlanda bajo dirección de Brian Kirk, nominado al BAFTA. La película resulta un drama atmosférico y explosivo que narra la historia de la escalofriante determinación de un clérigo (Matthew MacFadyen) para erradicar la corrupción y el pecado de una pequeña población. Eva encarna a Caroline, la sufrida esposa del hermano (Daniel Mays) del clérigo. Se trata de un historia hecha de ambición y traición que amenaza con destruir para siempre a una familia. “Eva Birthistle aporta otra interpretación rica en matices dando vida a la independiente Caroline, de temperamento pronto al enfado” —comentaba el Irish Independent; y el Irish Times escribió: “Entre las por igual muy logradas interpretaciones, hallamos el vivaz retrato de Birthistle de la única persona con la temeridad de enfrentarse al personaje de MacFadyen.” Eva ganó el galardón a la mejor actriz en los Premios de cine y televisión irlandeses de 2007 por su interpretación. La película se estrenó en el Reino Unido en marzo de 2007.

A finales de 2006, la actriz aparece en la exitosa miniserie de la BBC, The State Within (2006), un thriller de conspiraciones de trama densa. Enmarcados en los mundos diplomáticos del Reino Unido y de los Estados Unidos, los seis capítulos de la serie evolucionan a lo largo de 17 días en la vida del embajador británico en los EE.UU. Eva es Jane Lavery, una abogado en pro de los derechos humanos asignada a Luke Gardner (Lennie James), un paracaidista británico que espera en el corredor de la muerte a ser ejecutado en Florida. La actriz es coprotagonista junto a Jason Isaacs, Sharon Gless y Ben Daniels.

Por lo que respecta a su participación en el rodaje de LA RONDA NOCTURNA, el nuevo film de Peter Greenaway, lo comenzó en septiembre de 2006. Basada en el célebre lienzo de Rembrandt, Eva es protagonista junto a Martin Freeman, Natalie Press y Jodhi May.

En Febrero de 2007, Eva comenzó a trabajar en la miniserie The Last Enemy (2008), un drama en cinco partes para la BBC previsto para emitirse por BBC One, escrito por el reconocido guionista Peter Berry, con rodaje en localizaciones de Londres y Rumanía. Dirigida por Iain B MacDonald, la actriz encarna a la Ministra de gobernación Eleanor Brooke, y aparece junto a un reparto de grandes talentos británicos, entre los que se cuentan Benedict Cumberbatch, Max Beesley y Robert Carlyle.