Estudià art dramàtic a l’escola Cours Florent, una institució teatral on han estudiat actors com Isabelle Huppert, Daniel Auteuil i Guillaume Canet. Després d’interpretar petits papers en cinema i televisió, la seva primera gran oportunitat fou Vénus beauté (1999), film amb el qual guanyà el César a la millor actriu revelació. Accedí a l’estrellat amb el film d’èxit Le fabuleux destin d’Amélie Poulain (2001), pel qual rebé el premi Sant Jordi a la millor actriu estrangera. Després ha intervingut en pel·lícules com À la folie... pas du tout (2002), L’auberge spagnole (2002), Dirty Pretty Things (2002), Un long dimanche de fiançailles (2004), Les poupées russes (2005), The Da Vinci Code (2006), Hors de prix (2006), Ensemble, c'est tout (2007), Coco avant Chanel (2009) i De vrais mensonges (2010).