All’età di 13 anni viene scelta da Luc Besson come protagonista di Leon, con Jean Reno. Da quel momento, le si spalancano le porte del cinema. Nel 2005 vince il Golden Globe come miglior attrice non protagonista per Closer. Per Il cigno nero si aggiudica il secondo Golden Globe e anche il Premio Oscar come miglior attrice protagonista. La terza candidatura per la prestigiosa statuetta arriva nel 2016 per il ruolo di Jacqueline Kennedy nel film Jackie.
Dotata di un quoziente intellettivo sopra la media, si laurea in Psicologia ad Harvard. È vegana e femminista.
Ha due figli, nati dalla relazione con il coreografo Benjamin Millepied: Aleph, nato il 14 giugno 2011 e Amalia, nata il 22 febbraio 2017.