Sin dall'età di due anni fa la modella e in seguito prende il nome d'arte di "Ledoyen" dalla nonna materna, che era un'attrice teatrale. Debutta al cinema all'età di nove anni nel film L'iniziazione; il successo arriva con La Fille seule (1995), per il quale è nominata al Premio César. Nel 2000 è nel cast di The Beach di Danny Boyle, accanto a Leonardo DiCaprio. Il 29 settembre 2001 ha dato alla luce la sua prima figlia, Lila.

Due anni più tardi, François Ozon la inserisce nel suo catalogo di grandi attrici francesi di 8 donne e un mistero, per il quale vince l'Orso d'argento come miglior attrice al Festival di Berlino. Tra il 2006 e il 2008 ha girato molti film, tra i quali sarebbe giusto citare Solo un bacio per favore (Un baiser, s'il vous plait) di Emmanuel Mouret (in uscita nel dicembre 2007) e la commedia aeroportuale Je vais te manquer (2008). Nel 2013 è stata nominata membro della giuria del Festival di Venezia 2013, presieduta da Bernardo Bertolucci.