Fille de Catherine Deneuve et de Marcello Mastroianni. Elle fait ses premiers pas à l'écran au côtés de sa mère dans l'écran dans A nous deux de Lelouch en 1979 puis aux côtés de son père dans Les Yeux noirs (1980, Mikhalkov) . A 17 ans, elle décide d'être comédienne et débute dans Ma saison préferée (1993, André Techiné), film pour lequel elle est nommée au César du Meilleur Espoir.

Elle tourne ensuite avec plusieurs jeunes réalisateurs tels que Xavier Beauvois (N'oublie pas que tu vas mourir, 1995), Arnaud Desplechin (Comment je me suis disputé... (ma vie sexuelle), 1996) ou encore Laetitia Masson (A vendre, 1998), et devient l'une des interprètes fétiches du nouveau cinéma d'auteur. Très éclectique, elle joue en 2000 dans le thriller Six-Pack d'Alain Berberian et en 2002 dans le délirant Carnages, premier film de Delphine Gleize. La même année, Il est plus facile pour un chameau... la fait évoluer sous la direction de Valeria Bruni-Tedeschi. Ses choix internationaux la portent également à tourner avec le Chilien Raoul Ruiz (Trois vies et une seule mort, Le Temps retrouvé, 1999), le Portugais Manoel de Oliveira, qui lui offre en 1999 son premier rôle de vedette dans La Lettre, ou encore l'Italienne Francesca Comencini (Zeno le parole di mio padre, 2001).