Ainhoa Santamaría comenzó con clases de teatro en la Universidad, al mismo tiempo que estudiaba Historia del Arte. Posteriormente, se formó en la Real Escuela Superior de Arte Dramático y ha realizado seminarios Juan Carlos Corazza, Will Keen y Pablo Messiez. Por otro lado, ha estudiado danza en el conservatorio de Danza Jesús Guridi de Vitoria y tiene nociones de esgrima, equitación y canto —formó parte del coro Zintxarri—.
En 2011 fue nominada a Mejor Actriz de Reparto por la Unión de Actores por Todos eran mis hijos, de Claudio Tolcachir. Desde entonces ha actuado sobre los escenarios en montajes como La Estupidez, dirigida por Fernando Soto —que le valió el Premio Max 2017 a la Mejor Actriz de Reparto— Sombra y realidad, en el Teatro Español; Sueño, dirigida por Andrés Lima ; Alimañanas (Brillantes) de Pilar Massa o El proceso dirigido por Ernesto Caballero.
Ha trabajado con reconocidos cineastas como Pedro Almodóvar en Madres Paralelas, Silvia Munt en Las Buenas Compañías, Daniel Monzón en Las leyes de la frontera; Alejandro Amenábar en Mientras dure la guerra —que le valió la nominación al Goya 2020 a la Mejor Actriz Revelación—; o Pedro Almodóvar en Madres paralelas.
En televisión, ha protagonizado series como Apagón y participado en La pasión turca, Señoras del (h)Ampa, La casa de papel, o Élite.
