Filla de l’activista polític August Gil i Matamala, debutà de molt jove a Lola (1985), de J.J. Bigas i Luna. Es matriculà a l’Institut del Teatre de Barcelona i estudià cant, dansa i violí, i alhora treballà en televisió, presentant el curs de català Graduï’s, ara pot! i també el programa Betes i films.
Posteriorment actuà a El complot dels anells (1987), de F. Bellmunt, Capità Escalaborns (1990), de C. Benpar i a Un submarí a les estovalles (1991), d’Ignasi P. Ferré. Amb Amo tu cama rica (1991), d’E. Martínez Lázaro, obtingué els premis Ondas i Fotogramas de Plata 1992, el premi Sant Jordi de Cinematografia 1993 a la millor actriu en un film espanyol i el de millor actriu al Festival de Peníscola, però la popularitat li arribà l’any següent amb Belle Époque (1992), de F. Trueba, film que guanyà el premi Oscar a la millor pel·lícula de parla no anglesa, que li valgué els premis Goya, Sant Jordi i Fotogramas de Plata a la millor actriu.
Ja amb uns inicis consolidats, actuà a Mal d’amors (1993, premi de l’Associació Catalana d’Actors i Directors), de C. Balagué; Los peores años de nuestra vida (1994), d’E. Martínez Lázaro; Todo es mentira (1994), d’Álvaro Fernández Armero; l’introspectiu thriller-road movie Antártida (1995), de Manuel Huerga; Mecánicas celestes (1995), de F. Torres; Tranvía a la Malvarrosa (1996), de J.L. García Sánchez; Malena es un nombre de tango (1996, premi Butaca), de G. Herrero; Libertarias (1996), de V. Aranda; Lágrimas negras (1998, premi a la millor actriu del Festival de Valladolid), de R. Franco, obra pòstuma i semibiogràfica del director que finalitzà el seu director assistent Fernando Bauluz; Segunda piel (1999), de G. Vera; Obra maestra (2000), de David Trueba —amb qui estigués casada (1993-2008)—; Off Key (2001), de M. Gómez Pereira; La virgen de la lujuria (2001), d’A. Ripstein, El embrujo de Shanghai (2002), de F. Trueba; Bear’s Kiss (2002), de S. Bodrov; Soldados de Salamina (2003, premi Túria), de D. Trueba, basada en la novel·la homònima de Javier Cercas; Els pares terribles (2003), de J. Dayan; Hormigas en la boca (2004), de M. Barroso; Ausentes (2005), de D. Calparsoro; Bienvenido a casa (2006), de D. Trueba; El laberinto del fauno (2006), de G. del Toro; Alatriste (2006), d’A. Díaz Yanes; Quiéreme (2007), de B. Docampo Feijoo; Sólo quiero caminar (2008) d’A. Díaz Yanes; El baile de la Victoria (2009), de F. Trueba; Værelse 304 (2011), de B. Staermose; The Boy Who Smells Like Fish (2013), d’A. Cal y Mayor; Sola contigo (2013), d’A. Lecchi; Vivir es fácil con los ojos cerrados (2013), de D. Trueba; Murieron por encima de sus posibilidades (2014), d’I. Lacuesta; L’altra frontera (2014), d’A. Cruz; Zona hostil (2017), d’A. Martínez, Solo una vez (2021), de G. Ríos Bordón, La casa entre los cactus (2022), de C. González-Adrio, Calladita (2023) de M. Faus i Un fantasma en la batalla (2025), d’A. Díaz Yanes.
A més, ha participat en les cintes franceses Don Juan (1998, Jacques Weber) i Jet Set (2000, Fabien Onteniente); en les angleses, Talk of Angels (1998, Nick Hamm) i Camera obscura (2000, Hamlet Sarkissian), i en les argentines El lado oscuro del corazón 2 (2001, Eliseo Subiela) i Nueces para el amor (2001, Alberto Lecchi), millor interpretació als festivals de l’Havana, la SEMINCI de Valladolid i Viña del Mar.
Ha actuat en sèries de televisió (Arnau, 1994; Cuéntame cómo pasó, 2014; Aquí en la tierra, 2018, etc.) i en algunes obres de teatre (La gavina, de Čekhov amb direcció de Josep M. Flotats, 1997; Salvats, d’Edward Bond, dirigida per J.M. Mestres, 1998; Los hijos de Kennedy, de Robert Patrick, dirigida per J.M. Pou, 2013, i Jane Eyre: una autobiografia, 2017, premi Butaca a la millor actriu).
Dedicada també al teatre, ha estrenat La gavina (1997), Salvats (1998), Un tranvía llamado deseo (2010), Viejos tiempos (2012), Los hijos de Kennedy (2013), Jane Eyre. Una autobiografía (2018) i Maria Magdalena (2026).
També enregistrà un disc en directe amb el grup dels seus germans, Matamala, i en codirigí el curt Bar (1987). Des del 2009 és parella de l’actor nord-americà Viggo Mortensen.