Érettségi után a modern irodalommal ismerkedett. Már nagyon fiatalon megmutatkoztak képességei és elhivatottsága a színészet iránt, ezért Párizs legismertebb színitanodája, a Cours Florent hallgatója lett.

Néhány tévéfilmes szerep után 1998-ban elnyerte a legjobb fiatal színésznő díjat a 9. Fiatal Filmszínészek Fesztiválján Bezière-ben. Ezt követően kapta első nagyjátékfilmes szerepét Tonie Marshall Vénusz Szépségszalon című filmjében. A nagyközönség ebben a filmben fedezhette fel; teljesítményéért 2000-ben megkapta a legígéretesebb színésznőnek járó César-díjat.

Három évvel később valósággal berobbant a vetítőtermekbe Amélie-nek, Jean-Pierre Jeunet új hősnőjének megszemélyesítésével, az Amélie csodálatos élete című filmben. Szelídsége és örökké kamaszos, törékeny szépsége valódi nemzetközi ikonná tették. Ettől kezdve sorban kapta a felkéréseket, látható volt többek között Cédric Klapisch Lakótársat keresünk, Alain Resnais Nem kell a csók, valamint Jean-Pierre Jeunet Hosszú jegyesség című filmjeiben.

2006 tavaszán nagy várakozás előzte meg feltűnését Tom Hanks és Jean Reno oldalán Dan Brown regényének filmes adaptációjában, a Ron Howard rendezésében készült A da Vinci-kód című filmben, ami azonban csalódottsággal végződött. „Pedig egész jó Vittoria (Illuminati) lehetett volna: kár érte” – írták a német lapok.

„Szeretek a fellegekben járni. Kellemes dolog, ha lábunk nem éri a földet.” – vallja.

Főbb filmjei

* 1998 – Vénusz Szépségszalon (Vénus beauté (institut)), rendező: Tonie Marshall
* 1999 – Gyere hozzám feleségül (Épouse-moi), rendező: Harriet Marin
* 1999 – Barátnők – (Voyous, voyelles), rendező: Serge Meynard
* 1999 – A szabad gondolkodó (Le Libertin), rendező: Gabriel Aghion
* 2000 – Happenstance (Le battement d’ailes du papillon), rendező: Laurent Firode
* 2000 – Amélie csodálatos élete (Le fabuleux destin d’Amélie Poulain), rendező: Jean-Pierre Jeunet
* 2001 – Isten nagy, én kicsi vagyok (Dieu est grand, je suis toute petite), rendező: Pascale Bailly
* 2001 – Szeretni bolondulásig (À la folie… pas du tout), rendező: Laetitia Colombani
* 2001 – Lakótársat keresünk (L’Auberge espagnole), rendező: Cédric Klapisch
* 2001 – Les marins perdus, rendező: Claire Devers
* 2002 – Gyönyörű mocsokságok (Dirty Pretty Things), rendező: Stephen Frears
* 2002 – Happy End – (Nowhere to Go But Up), rendező: Amos Kollek
* 2003 – Nem kell a csók (Pas sur la bouche), rendező: Alain Resnais
* 2004 – Hosszú jegyesség (Un long dimanche de fiançailles), rendező: Jean-Pierre Jeunet
* 2005 – Még mindig lakótársat keresünk (Les Poupées russes), rendező: Cédric Klapisch
* 2006 – A da Vinci-kód (The Da Vinci Code), rendező: Ron Howard
* 2006 – Drágaságom – (Hors de prix), rendező: Pierre Salvadori
* 2006 – Egyedül nem megy – (Ensemble, c’est tout), rendező: Claude Berri