Elle est née le 3 juillet 1976 en Argentine.
Dès l'âge de trois ans, Bérénice Bejo emménage en France avec ses parents. Miguel Bejo, son père, réalisateur, la plonge dans la culture cinématographique et l'inscrit dans des cours de théâtre.
Elle effectue ses premières apparitions à l'écran dans les courts métrages Pain perdu (1993), L'amour est à réinventer (1996) et Enceinte ou lesbienne (1996).
Elle interprète ensuite le personnage de Karine dans Les Soeurs Hamlet en 1998 d'Abdelkrim Bahloul. Puis elle poursuit sa carrière grâce à des petits rôles dans La Captive (2000) et Passionnément (2000) avant de connaître la consécration grâce à Meilleur Espoir féminin (2000) de Gérard Jugnot. Ironiquement, sa prestation d'apprentie-comédienne lui vaut d'ailleurs d'être nominée au César du meilleur espoir féminin.
En 2001, Bérénice Bejo décroche le rôle de Christiana dans Chevalier de Brian Helgeland. Elle retourne ensuite en France pour jouer aux côtés de Marie-France Pisier et Guillaume Depardieu dans Comme un avion (2002).
En 2003, Berenice Bejo est à l'affiche de 24 heures de la vie d'une femme de Laurent Bouhnik, où elle interprète Olivia, une jeune fille déroutant Michel Serrault par sa beauté et sa vitalité.
Tournant à deux reprises sous la direction de Steve Suissa, elle séduit tour à tour Stéphane Freiss et Titoff dans Le Grand Rôle (2004), une comédie sur le monde des acteurs, et Cavalcade (2005), un drame abordant le thème du handicap. Elle effectue un retour en force en 2006 en s'illustrant aux côtés de l'agent OSS 117, alias Jean Dujardin, dans OSS 117 : Le Caire, nid d'espions .
Après avoir été dirigée en 2007 par Manuel Poirier dans La Maison, on la retrouve 1 an plus tard à l'affiche de Modern Love aux côtés d'Alexandra Lamy et Stéphane Rousseau. En 2008, elle donne la réplique à Didier Bourdon dans Bouquet final de Michel Olgado et en 2009 à Jean Dujardin dans OSS 117 : Rio ne répond plus.
En 2011, son mari Michel Hazanavicius fait le pari fou de signer un film muet et en noir et blanc, dont elle et Jean Dujardin sont les héros. The Artist est un triomphe, en France mais aussi outre-Atlantique, et gagne de nombreux prix. Bérénice décroche le César de la mailleure actrice en 2012, pour son interprétation de la pétillante Peppy Miller.
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