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Alexia Barlier découvre le théâtre à 14 ans avec La Nuit des rois de William Shakespeare. Elle suit ensuite pendant trois ans les cours préparatoires des Cours Simon en même temps que le lycée. Ce sont ensuite les Cours Viriot puis le Laboratoire de l’Acteur dirigé par Hélène Zidi-Chéruy. Elle obtient en parallèle une maîtrise de communication et théorie des médias à la Sorbonne-Nouvelle en 2005.
Entièrement bilingue et de double nationalité française et néo-zélandaise par sa mère, une ancienne danseuse classique reconvertie en prof de yoga tibétain. Son père, directeur de galeries d’art, et son grand-père artiste-peintre, l’emmènent d’expo en expo depuis son plus jeune âge.
En 2010, Alexia est l'héroïne de la série d'action Kali. Elle y apparaît transformée en femme “transhumanisée”, capable de sauter d’un toit à un autre, spécialiste des sports de combat et des armes à feu. Kali la machine à tuer, sorte de super-soldat surentraîné et froid, et Kali jeune anglaise traumatisée, cobaye d’une expérience horrible à qui on a effacé la mémoire et qu’on semble chercher à éliminer. Elle tient également le premier rôle féminin face à Philippe Torreton dans Tempêtes, un film sur les sauveteurs en mer de Saint-Malo. La même année, elle devient la coéquipière de Stéphane Freiss dans la série La Loi selon Bartoli. Alexia y incarne une jeune mère célibataire, passionnée de chant, particulièrement rebelle et dotée d’un solide sens de la répartie.
À partir de 2012, elle joue Eva Blum, la brigadière qui aide Sagamore Stévenin dans ses enquêtes criminelles dans la série policière Falco.
