Oana Pellea este fiica Domnicăi și a cunoscutului actor Amza Pellea și s-a născut pe 29 ianuarie 1962, la București. A absolvit Academia de Teatru și Film, în anul 1984, la clasa profesoarei Sanda Manu. Între anii 1984 și 1987, a fost actriță la Teatrul din Piatra Neamț, iar între 1987 și 1999, a jucat la Teatrul Bulandra din București. Din anul 1999 a devenit liber-profesionistă.
În anul 2006, a jucat alături de Clive Owen și Julianne Moore în celebrul film Children of Men, o producție Universal Pictures, în regia lui Alfonso Cuarón, nominalizat la trei categorii de premiu Oscar. În 2007, este distribuită în producția britanică I really hate my job, în regia lui Oliver Parker și în producția americană Fire and Ice, regia Pitof. În 2009, joacă în producția maghiaro-germană Bibliothèque Pascal, în regia lui Szabolcs Hajdu.
Pentru activitatea ei teatrală, care cuprinde peste 30 de roluri, a obținut numeroase premii, printre care: în 2009, Marele Premiu al Festivalului Comediei Românești pentru cel mai bun spectacol, Buzunarul cu paine, de Matei Vișniec, spectacol pe care l-a regizat și l-a interpretat alături de Sandu Mihai Gruia; în 2000, Premiul pentru carieră internațională remarcabilă, decernat de Fundația Culturală Română; în același an, Premiul Uniunii Teatrale din România, pentru cea mai bună actriță (rolul Catarina, din Îmblânzirea scorpiei, după W. Shakespeare, producția lui Mihai Maniuțiu); în 1996, pentru rolurile Mașa din Trei surori, de Cehov, Iulius din Iulius Cezar, de W. Shakespeare, Maria din Woyzeck, de Georg Büchner, Premiul pentru cea mai bună actriță, decernat de Asociația Internațională a Criticilor de Teatru; în 1994, Premiul UNITER, pentru cea mai bună actriță (în Mephisto, regia Alexandru Darie).
Ca actriță de film, a avut circa 20 de roluri în producții regizate de Alexandru Tatos, Dan Pița, Stere Gulea, Bogdan Dreyer etc. A obținut pentru rolul principal din Stare de fapt, regia Stere Gulea, numeroase premii internaționale, inclusiv cel pentru cea mai bună actriță la Festivalul de Film de la Geneva, Premiul orașului Geneva, premii la Festivalul Filmului Politic de la San Marino și la Festivalul Internațional de Film „Vulturul de Aur” din Batumi, Georgia.
Joacă în română, franceză, engleză, italiană.
Participă la turnee de teatru în străinătate (Marea Britanie, Europa, SUA, Asia). A reprezentat România în numeroase jurii internaționale la festivaluri de teatru și de film.
În stagiunea 2008-2009, joacă în Scaunele, de Ionesco la Teatrul Bulandra, în Ma tot duc, de Marc Doré la Teatrul Foarte Mic și în Buzunarul cu paine, de Matei Vișniec la Teatrul Metropolis.
Editura Humanitas a publicat prima carte de Oana Pellea, Jurnal 2003-2009.
Din anul 2020, obligată de pandemie să se reinventeze, Oana Pellea inițiază o serie de eseuri video dedicate unor scriitori-reper din literatura română pe care îi recuperează ca spirite vii pentru audiență. Proiectele video sunt realizate cu sprijinul Raiffeisen Bank România și pot fi urmărite pe siteul personal al Oanei Pellea (www.oanapellea.ro) sau pe platforma art.raiffeisen.ro.