

A soli due anni, si affaccia al mondo della moda per poi adottare il cognome "Ledoyen", in omaggio alla nonna attrice. Il suo esordio cinematografico avviene precocemente, a nove anni, con L'iniziazione, ma il vero riconoscimento arriva con La Fille seule nel 1995, che le vale una nomination ai Premi César. Nel 2000, recita al fianco di Leonardo DiCaprio in The Beach, segnando un passo importante nella sua carriera. Il 29 settembre 2001 è una data significativa, poiché dà alla luce Lila, la sua primogenita. Due anni dopo, François Ozon la include nel cast di 8 femmes, una celebrazione delle dive francesi, che la porta a conquistare l'Orso d'argento al Festival di Berlino come miglior attrice. Negli anni successivi, tra il 2006 e il 2008, il suo talento si manifesta in diverse pellicole, tra cui Solo un bacio per favore e la commedia Je vais te manquer. Nel 2013, il suo contributo al cinema viene riconosciuto con una nomina a giurata al Festival di Venezia, sotto la direzione di Bernardo Bertolucci.