Audrey Marnay débute dans le mannequinat à 15 ans avec pour seul ambition de faire quelques photos. À 16 ans, elle rivalise déjà avec les plus grands Top Models, grâce à Vogue Italie qui lui consacre 32 pages en plus de sa couverture. A partir de là, elle posera pour les plus grands : Calvin Klein, Chanel, Valentino, et enchaîne les couvertures des magazines de mode internationaux. La petite française part s'installer à New-York pour continuer sa carrière. En 2001 à seulement 21 ans elle devient l'égérie du grand magasin de la Rive Gauche à Paris, Le Bon Marché.
C'est en 2003 qu'Audrey Marnay décide de se diriger vers le métier de comédienne. Elle revient à Paris et suit des cours d'arts dramatiques.
Elle fait ses premiers pas au cinéma en 2005 en Belgique dans le premier long métrage de Stefan Liberski Bunker Paradise, dans lequel elle partage l'affiche avec Jean-Paul Rouve.
En 2006, on l'aperçoit dans Mon Meilleur Ami de Patrice Leconte avec Daniel Auteuil et Dany Boon.
Elle tourne ensuite dans deux courts-métrages, Tony Zoreil en 2008 et Redrum l'année suivante.