Née le 24 novembre 1987 à Solbergelva, en Norvège, Renate Reinsve grandit loin de tout milieu artistique. C'est en apprivoisant une timidité maladive qu'elle découvre le théâtre, avant d'intégrer l'Académie nationale norvégienne des arts dramatiques, dont elle sort diplômée en 2013. Elle débute sur scène au Trøndelag Teater dans Peer Gynt, et remporte dès 2014 le prix Hedda du meilleur second rôle féminin.

Au cinéma, elle apparaît brièvement dans Oslo, 31 août de Joachim Trier dès 2011, mais enchaîne ensuite les petits rôles, au point d'envisager d'abandonner le métier. C'est ce même Trier qui lui offre le tournant de sa carrière en écrivant spécialement pour elle le rôle-titre de Julie (en 12 chapitres) (2021). Le film lui vaut le Prix d'interprétation féminine au Festival de Cannes, une consécration fulgurante qui ouvre les portes du cinéma international.

Elle retrouve Trier en 2025 dans Valeur sentimentale, Grand Prix à Cannes, pour lequel elle est nommée aux Oscars et aux Golden Globes 2026. Parallèlement, elle apparaît dans A Different Man (2024) et la série Présumé innocent (Apple TV+).