仏パリ出身。両親ともに舞台役者で、幼い頃から父の舞台に立つ。オルレアン国立高等演劇学校で演技を学び、10代で映画デビュー。リュック・ベッソン製作「TAXi」（98）で注目を浴び、ティム・バートン監督作「ビッグ・フィッシュ」（03）でアメリカに進出。伝記映画「エディット・ピアフ　愛の讃歌」（07）でアカデミー主演女優賞など数多くの賞を受賞した。以降、「パブリック・エネミーズ」（09）や、クリストファー・ノーラン監督の「インセプション」（10）、「ダークナイト ライジング」（12）などハリウッド映画でヒロインを務めるほか、仏映画「君と歩く世界」（12）や、「愛を綴る女」（16）に主演。「サンドラの週末」（14）では、2度目のアカデミー主演女優賞にノミネートされた。プライベートでは、「世界でいちばん不運で幸せな私」（03）で共演した仏俳優ギョーム・カネと長年交際し、17年に第2子を出産した。