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Eva Oliveira Mendes nasceu em Miami, Flórida, EUA. Seus pais são naturais de Cuba. Foi criada em Los Angeles por sua mãe após o divórcio de seus pais; Mendes disse que a sua mãe "sofreu muito para me dar uma boa vida" durante os seus primeiros anos. Seu pai era um vendedor de automóveis e sua mãe, também chamada Eva, é uma diretora de escola primária. Mais nova de quatro filhos (ela tem duas irmãs e um irmão), foi educada na Igreja Católica Apostólica Romana e viria a ser uma freira.

Enquanto jovem, Mendes nunca se viu como atriz e por isso decidiu seguir outros interesses. Estudou na Hoover High School, em Glendale e mais tarde na California State University, Northridge onde cursou marketing, mas desistiu após querer iniciar uma carreira como atriz. Ela estudou com Ivana Chubbuck.

Em 2011 Eva Mendes começou a namorar com Ryan Gosling, depois de contracenarem juntos no filme "Como um trovão"/ "O Lugar onde tudo termina".

Em Setembro de 2014 o casal de atores foram pais de uma menina, chamada Esmeralda Amada Gosling, que nasceu em 12 de setembro e na data de 29 de abril de 2016, nasceu a segunda filha do casal, chamada de Amada Lee Gosling. Em ambas as gestações, o casal optou pela discrição, sendo que Eva Mendes evitou ser fotografada grávida e tampouco confirmou a gravidez inicialmente.