Карьера Алексы в качестве киноактрисы началась в 1992 году, когда мать привела 4-летнюю дочь на кастинг в телесериал «Вечерняя тень» (1990-1994). Девочка сразу получила роль героини Эмили Ньютон. Это было началом успешной кинокарьеры. Среди известных работ Алексы в 90-е годы - сериал «Надежда Чикаго» (1994 - 2000), «Скорая помощь» (1994 - 2008), «Маленькие гиганты» (1994), «Все это» (1994-2005), «Девять месяцев» (1995), «Это был он или мы» (1995), «Обещание, данное Кэролин» (1996).
В 1996 году Вега получила роль Джо Хардинг в фильме «Смерч» (1996) и сыграла героиню Хелен Хант в детские годы в сцене, где смерч уносит ее отца. Следом последовали проекты «Призраки Миссисипи» (1996), «Великолепная семерка» (1998-2000), «Дэннис-Мучитель 2» (1998), «Патруль сети» (ТВ) (1999), «На самом дне океана» (1999) Run the Wild Fields (ТВ) (2000).
Алекса также снималась в эпизодических ролях в телевизионных шоу и сериалах, включая «Скорую помощь» и шоу Берни Мака. Но слава пришла к Алексе Вега в 2001 году, когда Роберт Родригез предложил ей роль Кармен Кортез в своей трилогии «Дети шпионов». В процессе съемок Алекса сама выполняла все трюки, не прибегая к помощи дублеров. Первая часть трилогии стала очень популярной, поэтому вскоре были сняты сиквел и триквел.
В 2003 году журнал Vanity Fair назвал Алексу Вега одной из самых сексуальных молодых актрис. В 2004 году Алекса снималась в проекте «Ночь без сна» и телевизионной драме «Редкая женщина». Она также снялась и в таком телевизионном проекте, как «Покупатель» (2006). В июне 2006 года завершились съемки «Редкой женщины», фильм вышел в 2007 году.
Алекса также играла в театре. Ее дебютом стала роль Пенни Пинглтон в мюзикле «Лак для волос» на Бродвее. Вега участвовала в спектакле до августа 2007 года.
В отличие от многих актёров-детей, чья карьера прерывается во взрослом возрасте, Вега продолжает сниматься по сей день весьма интенсивно. Она часто участвует в мюзиклах. Одна из самых ярких ролей Веги была сыграна в 2008 году в фантастическом кино-мюзикле «Рипо! Генетическая опера», где Алекса исполнила роль главной героини, Шайло, в том числе её вокальные партии. В 2012 году вышел новый мюзикл с Вегой, «Дьявольский карнавал».
В 2010—2012 годах Алекса была замужем за кинопродюсером Шоном Ковелом.
С конца 2012 года Алекса встречалась с актёром Карлосом Пеной. В сентябре 2013 года пара объявила о своей помолвке. 4 января 2014 года пара поженилась в Пуэрто-Вальярте, Мексика. Карлос и Алекса объединили свои фамилии, теперь оба носят фамилию ПенаВега (англ. PenaVega).