Elle fait partie de la nouvelle génération du cinéma français. Léa Seydoux a débuté dans le long-métrage de Sylvie Ayme en 2006. Elle interprète Aurore, une jeune fille qui, avec ses 3 copines, rêve de remporter un défi de danse.
L'année suivante même elle tourne dans Une Vieille maîtresse de Catherine Breillat, et fait partie du casting du film de Jean-Pierre Mocky, 13 french street, aux côtés de Tom Novembre et Bruno Solo.
En 2008, elle joue avec Samy Naceri dans Des Poupées et des anges, puis donne la réplique à Guillaume Depardieu pour le film De la guerre de Bertrand Bonello. On la retrouve ensuite face à Louis Garrel dans La belle personne de Christophe Honoré. Cette prestation réussie dans l'adaptation libre du roman classique "La Princesse de Clèves" lui permet d'attirer l'attention de Quentin Tarantino qui l'intègre au casting de son grand film de guerre : Inglorious Bastards en 2009.
En 2010, elle incarne Isabelle d'Angoulême dans le Robin des Bois de Ridley Scott aux côtés de Russell Crowe.
Après cela, elle tient le rôle principal du film Belle Épine de Rebecca Zlotowski (présenté en compétition lors de la 49e Semaine de la critique9 du festival de Cannes 2010) aux cotés, entre autres, d'Anaïs Demoustier.
Elle apparaît également dans le court-métrage Petit tailleur de Louis Garrel, puis dans le téléfilm Roses à crédit d'Amos Gitaï. Cette même année, elle rejoint le tournage de Minuit à Paris de Woody Allen.
En 2011, elle devient l'image de Prada pour le parfum Candy, puis apparaît en fin d'année dans Mission impossible : Protocole Fantôme, le 4e volet de la franchise Mission : Impossible dans le rôle de la tueuse à gages Sabine Moreau. En parallèle, elle continue à tourner dans de nombreux films variés tels que Les Adieux à la reine, dans lequel elle interprète la lectrice de la reine Marie-Antoinette (incarnée par Diane Krüger), avec également Virginie Ledoyen (dans le rôle de Gabrielle de Polignac).
Elle est annoncée début 2012 dans la prochaine adaptation cinématographique de La Belle et la Bête réalisée par Christophe Gans et produite par Pathé.
Pour La Vie d'Adèle d'Abdellatif Kechiche, elle est, avec sa jeune partenaire Adèle Exarchopoulos, mentionnée par le jury du Festival de Cannes 2013, au même titre que le réalisateur, pour l'obtention de la Palme d'or. Puis durant l'été de la même année, elle est à l'affiche de Grand Central un film de Rebecca Zlotowski avec qui elle a déjà tourné.
Elle reçoit le Prix Lumière 2014 de la meilleure actrice pour son interprétation d'Emma dans La Vie d'Adèle et de Karole dans Grand Central.
Léa Seydoux serait la nouvelle James Bond Girl choisie par Sam Mendes pour rejoindre le casting du 24e volet des aventures de l'espion 007 aux côtés de Daniel Craig et Ralph Fiennes.
