Nació en París (Francia) el 9 de marzo de 1964, siendo hija de un director de teatro y escultor, y de una actriz. Nunca se casó y tiene dos hijos, Rafael de 12 años con Andre Halle y Hanna de 6 con el actor francés Benoît Magimel.
Estudió interpretación en la Escuela de Arte Dramático de su ciudad natal, y cuando se graduó trabajó primero como cajera en una tienda de París y luego comenzó a desempeñarse en teatro. Debutó en el cine a los 20 años, al ser descubierta por el realizador Jean-Luc Goddard. Éste le ofreció hacer de la Virgen María en "Yo te saludo, María" (1985); pero logró la fama internacional con su próxima película, "Apasionados" (1985).
Luego actuó en: "Malasangre" (1986), "La insoportable levedad del ser" (1988), "Los amantes del Pont-Neuf" (1991) y en 1992, "Una vez en la vida" y "Cumbres borrascosas"; y protagonizó la famosa trilogía "Tres colores" del polaco Krzysztof Kieslowski: "Blue" (1993), "Rouge" (1994) y "Blanc" (1994).
En 1996, por la película "El paciente inglés", recibió un Oscar. También fue galardonada, por este mismo filme, con estos premios: Mejor actriz por Festival de Berlín (Alemania, 1997), Mejor actriz por la Academia Europea de Cine (1997), Mejor actriz secundaria por British Academy Awards (Inglaterra, 1997). Y por último, por "Chocolate" fue galardonada como Mejor actriz por la Academia Europea de Cine (2001).
Después trabajó en estos largometrajes: "Un diván en Nueva York" (1996), "Téchiné en Alice et Martin" (1998), "Los amantes del siglo", "Chocolate" (2000), por la fue nominada al Oscar, pero no ganó. Sus trabajos más recientes son: "Décalage horaire" (2003), "Mary" y "Paris, je t'aime" (2006).
Obtuvo a lo largo de su trayectoria, además de un Oscar, estos galardones: Premio Romy Schneider de la Academia Europea de Cine, Francia (1986); Premio Mejor Actriz por "Los amantes del Pont-Neuf", Academia Francesa de Cine (1992); León de Oro Mejor Actriz por "Blue", Festival de Venecia (Italia, 1993).