Marion Cotillard 1975. szeptember 30-án született Párizsban, Franciaországban. Jean-Claude Cotillard színész, rendező és Niseema Theillaud színésznő és drámatanár egyik gyermekeként. Két testvére van.

A szülei foglalkozását tekintve nem meglepő, hogy Marion is a színészkedésre adta a fejét – már gyerekkorában szerepelt apja több darabjában. A Conservatoire d'Art Dramatique-ban tanult Orléans-ban, majd a képzés elvégzése után kisebb több színházban is játszott, de kisebb költségvetésű filmekben is feltűnt.

Első főszerepét a Chloé (1996) című tévéfilmben kapta, majd két évvel később a szélesebb közönség is megismerhette a nevét Gérard Pirés nemzetközileg is elismert filmjének, a Taxi (1998) című akcióvígjátéknak köszönhetően. A nagy sikerre való tekintettel két folytatás is készült (Taxi 2 – 2000, Taxi 3 – 2003). A színésznőt a franchise mindhárom részében Lilly szerepében láthattuk.

A Búcsúdal (2001) című drámában nyújtott alakításáért 2001-már már másodszor jelölték a nívós César-díjra, és hamarosan már az amerikai közönség előtt is debütálhatott a Nagy Hal (2003) című filmben, melyben Ewan McGregor és Helena Bonham Carter oldalán tűnt fel.

A Hosszú jegyességben (2004) nyújtott alakításáért 2005-ben végre megkapta a César-díjat, majd több francia szerep után ismét amerikai produkcióban szerepelt. Russell Crowe mellett láthattuk Ridley Scott Bor, mámor, Provence (2006) című filmjében.

Marion következő alakítása Golden Globe-, César-, BAFTA- és Oscar-díjat érdemelt. A Piaf (2007) című életrajzi drámában Cotillard játszotta a címszereplőt, Edith Piafot, alakítását elsöprő kritikai- és közönségsiker övezte.

A hazájában és Amerikában is előszeretettel foglalkoztatott Marion olyan neves rendezők alkotásaiban kapott szerepet, mint Rob Marshall (Kilenc – 2009), Michael Mann (Közellenségek – 2009), Christopher Nolan (Eredet – 2010), Woody Allen (Éjfélkor Párizsban – 2011) és Steven Soderbergh (Fertőzés – 2011). 2012-ben ismét Christopher Nolannel dolgozott együtt a rendező utolsó Batman-filmje, A sötét lovag: Felemelkedés (2012) című képregény-adaptáció forgatásán.

Az elmúlt években láthattuk a Idegen földön (2013), a Ron Burgundy: A legenda folytatódik (2013) valamint a Macbeth (2014) című produkciókban is.

Cotillard 2011 májusában adott életet első gyermekének, akit közösen nevelnek Guillaume Canet-vel.