Née le 5 avril 1973 à Montreuil, banlieue parisienne, d'un père architecte et d'une mère ingénieur en informatique, elle découvre sa passion pour le théâtre à l'âge de six ans lors d'un spectacle scolaire. Passion qui ne la quittera plus puisqu'elle suivra des études de théâtre à Paris X et décrochera son diplôme. Serge Gainsbourg lui fait faire ses premiers pas au cinéma dans Stan the Flasher. Puis elle joue dans Le cahier volé de Christine Lipinska, là elle est remarquée par André Téchiné qui lui offre, en 1994, son premier rôle principal dans Les roseaux sauvages. Elle obtiendra grâce à ce film le César du meilleur jeune espoir féminin. Dès lors, les scénari affluent et on la voit dans des rôles variés.
Elle incarne une certaine image de la jeunesse dans Le plus bel âge de Didier Haudepin, Le péril jeune de Cédric Klapisch ou A toute vitesse de Gael Morel, une junkie dans Le ciel est à nous de Graham Gruit ou encore une muette dans Clubbed to death de Yolande Zauberman. En 1998, elle reçoit grâce au premier long métrage de Erick Zonca La vie rêvée des anges le prix d'Interprétation féminine du festival de Cannes (ex-aequo avec Natacha Régnier) ainsi qu'en 1999 le César de la Meilleure actrice. Préférant les rôles difficiles de personnages en marge de la société elle tourne dans Louise (Take 2) de Siegfried, La faute à Voltaire de Abdel Kechiche, J'aimerai pas crever un dimanche de Didier Le Pêcheur où elle rencontre Jean-Marc Barr qui lui propose les rôles principaux de sa Free Trilogy, triptyque s'ouvrant avec Lovers puis Too much flesh et le dernier volet Being Light.
Elle tient le rôle de la femme de l'Ogre dans le film de Olivier Dahan Le Petit Poucet d'après le conte de Charles Perrault sorti le 17 Octobre. Une production fantasmagorique où la stylisation du réèl est servie par des décors s'étendant sur un immense plateau de 4000 m² ainsi que par des décors numériques à forte valeur esthétique ajoutée.
On la retrouve dans la délirante comédie de James Huth, Brice de Nice, aux côtés de Jean Dujardin et Clovis Cornillac, le 9 avril 2005. Ont suivi Ma place au soleil et le drame de Gael Morel, Après lui.
En 2007 elle est à l'affiche de Héros de Bruno Merle aux côtés de Mickaël Youn, mais aussi des films Je deteste les enfants des autres, et Tel père, telle fille.
L'année suivante, elle joue dans le film Seuls Two d'Eric et Ramzy.
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