Va estudiar al Conservatori de París amb la intenció de convertir-se en cantant. Després va optar per la interpretació i va ingressar a l'escola Les Enfants Terribles i després a l'Actors Studio de Nova York.[2] Va debutar amb un paper a la cinta Mes copines (2006) i el 2008 va obtenir la seva primera nominació per a un premi César amb la pel·lícula La Belle personne. El 2009, requerida per Quentin Tarantino, interpretà el paper de Charlotte Lapadite a Maleïts malparits, un film ambientat en la Segona Guerra Mundial.
Amb posterioritat va tornar a ser nominada al César com a millor actriu revelació per Belle Epine (2010), un drama dirigit per Rebecca Zlotowski. Va guanyar la Palma d'Or al Festival de Cinema de Cannes 2013 per a La vie d'Adèle. Ha treballat també amb Ridley Scott, a Robin Hood (2010), i Woody Allen, a Midnight in Paris (2011). I també en els films de James Bond Spectre (2015), dirigit per Sam Mendes i No Time to Die (2021).[3][4]
La popular actriu ha estat guardonada com "Millor Actriu" per el seu paper protagonista en la pel·lícula "La Bête" del director Bertrand Bonello en l'edició del 2023 de la Setmana Internacional de Cinema de Valladolid.[5]
Seydoux també va tenir un paper protagonista al videojoc d'Hideo KojimaDeath Stranding. Com a Fragile, hi va posar la veu i en va fer l'actuació en captura de moviment, paper pel qual va ser nominada a un BAFTA. Death Stranding va ser llançat el novembre de 2019.[1]