Ксения Дементьева родилась в Ростове-на-Дону, там же училась в общеобразовательной школе. Она была весьма спортивным и деятельным подростком — занималась плаванием и легкой атлетикой, плюс окончила музыкальную школу по классу фортепиано.
Однако после окончания учебы девушка вдруг решительно заявила родителям, что поедет в Москву поступать в театральный. Для них это звучало настолько неправдоподобно, что они не стали отговаривать дочь и отнеслись ко всему спокойно — были уверены, что не поступит. Так в итоге и случилось: Дементьева провалила экзамены и поступила в институт культуры на заочку. Попутно не отказывалась от всякой работы, без которой у многих актеров считай что не было начала карьеры, — побыла и официанткой, и продавщицей кассет. Все для того, чтобы через год поступить в Институт современного искусства, на актерский факультет, в мастерскую С. Г. Десницкого.
В 2006 году Ксения окончила ИСИ и поступила на службу в Театр Луны, но история продлилась всего год — что-то не срослось, и актриса сосредоточилась на своих киноамбициях, чтобы потом театры сами за ней бегали. К тому же ее кинодебют случился еще до конца учебы, в 2003 году, в сериалах «Москва. Центральный округ» и «Сибирочка». В 2005-м она также сыграла главную роль в короткометражке Игоря Твердохлебова «Фантомные боли». Ряд проектов после не дал достаточно сильного продвижения в карьере — до 2010 года Ксения снималась в основном в небольших эпизодах, преподавала сценическую речь в альма-матер и продолжала искать свою коронную роль.
В качестве трамплина выступил фильм «Жестокая любовь» — Ксения наконец оказалась в центре сюжета вместе с Лилией Бурковой. Обе играли пленниц маньяка. Дементьевой досталась сложная драматичная роль девушки, которая рожает ребенка от извращенца и начинает испытывать к нему сложные чувства.
После этого заметного выступления Ксения заполучила постоянную роль в сериальном цикле «Паутина», начиная с его четвертой части. В саге о приключениях Федора Туманова и его напарника капитана Грекова она сыграла Наталью Марецкую, и так вплоть до девятого сезона.
Съемок становилось все больше: тут и российско-китайская мелодрама «Ой, цветет калина», и драматичный сериал о летчиках «Три товарища», и детектив «Новая жизнь сыщика Гурова. Продолжение».
В 2020 году Ксения отметилась в хоррор-антологии «Не бойся», вышедшей на ютьюб-канале «ТВ3-Dark», и в киберспортивной многосерийной драме «Эра медведей».
В личной жизни Ксении есть любимый человек — режиссер Роман Ярославцев и сын Корней. С Романом ей довелось вместе поработать на съемках «Эры медведей» и «Последней клятвы Гиппократа».
Для актрисы это уже не первый брак — когда-то она была замужем за актером Театра «У Никитских ворот», но спустя восемь лет после женитьбы союз распался. Однако бывшие супруги сохранили вполне дружеские отношения, и вообще, по словам Ксении, обошлось без драм — она даже продолжала прислушиваться к мнению Сергея, признавая его авторитет в творческих вопросах.
В своих аккаунтах в соцсетях Ксения много рассказывает о работе и иронизирует над своим возрастом, актерскими образами, отношениями и вообще ко многим вещам относится с юмором — недаром она уверена, что ей очень подходит комедийное амплуа. В частности, актриса шутит, что ее не берут на роли 40-летних дам, потому что она выглядит моложе, но и для барышень помоложе ищут еще моложе, а никак не 40-летних.
Впрочем, свою харизму вне возраста Ксения отлично показала в дипфейк-сериале для Youtube «ПМЖейсон» — ее там практически не узнать в гриме.
