Mía Maestro a passé quelques années à Berlin lorsqu'elle avait 18 ans pour étudier le chant classique. Elle y a aussi étudié la technique brechtienne de jeu, ce qui lui servira dans sa carrière d'actrice.
Elle est principalement connue en France pour avoir joué dans la série télévisée Alias le personnage de Nadia Santos dans les saisons 4 et 5.
En 2005, elle joue dans Secuestro express, où elle joue le rôle d'une victime d'enlèvement au Venezuela. Ce film indépendant est tourné principalement avec des acteurs débutants et illustre la violence des rues de Caracas. Il s'agit du premier film vénézuélien distribué internationalement et le film a réalisé le record de recettes dans son pays d'origine loin devant Titanic, tenant du record jusqu'alors. Le film a été nommé comme meilleur film étranger aux British Independent Film Awards 2005.
En , elle apparaît dans le clip vidéo de la chanson Te Amo Corazon de Prince, réalisé par Salma Hayek.
En 2006, elle joue le rôle d'Elena dans Poséidon, remake de L'Aventure du Poséidon (film) (1972). Le film connait un succès critique et public mitigé mais il place Mia sur la liste des actrices avec lesquelles Hollywood doit compter.
En 2012, elle joue dans les deux premiers épisodes de la saison 4 de FBI : Duo très spécial. Cette même année, Mia Maestro est nommée à l'ALMA Award du meilleur second rôle féminin pour son interprétation dans Savages d'Oliver Stone.
En 2013, elle fait partie du casting de Some Girl(s) et est annoncée dans le biopic franco-argentin retraçant la vie d'Eva Perón.
2014 marque son retour à la télévision dans la série The Strain créée par Guillermo Del Toro et Chuck Hogan, où elle interprète le rôle du docteur Nora Martinez.