Hun vokste opp i et frilynt hjem, med en mor som var kjent som forteller, vertinne og organisator. Maren Cathrine Sars var søster av dikteren Johan Sebastian Welhaven, og hennes salong i Christiania var et samlingssted for den kulturelle eliten og et arnested for venstrebevegelsen. I 1855 hadde faren fått et professorat i zoologi i Christiania, etter å ha vært prest på Vestlandet en tid. I barndommen fikk Eva Helene Sars sangundervisning av sin åtte år eldre søster Mally og hennes mann Thorvald Lammers. Hun debuterte i Musikforeningen i 1881, og opptrådte med en rekke konserter i årene som fulgte. I 1886–1887 studerte hun under Désirée Artöt i Berlin.
Med en ren og klangfull stemme egna hun seg godt som romansesanger, og hun utvikla en sterk evne til å få fram det dramatiske uttrykket i tolkningen. Etter hvert ble det turneer i Norge og resten av Norden, blant annet sammen med Erika Lie Nissen. Hun ble svært godt mottatt, og ble en av våre mest populære sangere.
I 1888 møtte hun Fridtjof Nansen i skisporet. Hun var en god skiløper - faktisk skulle hun bli viktig for kvinners gjennombrudd i vintersporten. Blant annet skrev hun et forsvar for kvinners rett til å delta i friluftsliv og idrett i Verdens Gang i 1893. Nansen falt for den te år eldre kvinna, og de ble gift året etter at de traff hverandre første gang. I musikkmiljøet ble det mottatt med stor glede at hun valgte å ikke trekke seg tilbake fra sangkarrieren, men i stedet valgte å ha en selvstendig rolle også som gift kvinne.
Fridtjof og Eva Nansen hadde et nært og fortrolig forhold, blant annet i den forstand at han var den eneste hun betrodde seg til. I begynnelsen lengta han alltid hjem til henne når han var på ekspedisjoner, men etter hvert begynte han å lengte vekk fra hjemmet, og han var utro en rekke ganger. Hjemme kunne han være tyrannisk, og han mente at barne ikke skulle vises ømhet, men at de måtte herdes. Ekteskapet ble derfor ikke så enkelt.
Eva Nansen gjorde en stor jobb med å skape et godt hjem for barna. Hun begynte å holde åpen søndagssalong slik mora hadde gjort. Mens Fridtjof Nansen var på reise holdt hun konserter, og når han var hjemme var det ofte selskap for vennene.
I november 1899 holdt hun sin siste offentlige konsert. Der framførte hun Haugtussa-sangene av Edvard Grieg og Arne Garborg, med Garborg som en av tilhørerne. Han mente at hun var Veslemøy når hun sang. Etter dette nøyde hun seg med å synge på private arrangement, og hun hadde også noen elever. Hun fortsatte med søndagssalongene i familiehjemmet Godthaab, og fra 1901 på Polhøgda på Lysaker. I tillegg til hjemmet i Bærum bodde de i perioder på gården Sørkje i Rollag, som Fridtjof Nansen hadde kjøpt som fritidsbolig. Etter at Maren Cathrine Sars døde i 1898 ble Eva Nansens salong i Bærum et nytt møtested for den gamle garde av venstreintellektuelle.
Høsten 1907 ble Eva Nansen syk, og den 9. desember det året døde hun av lungebetennelse, bare 49 år gammel.