D'abord animatrice de télévision en Belgique, Virginie Efira vient travailler en France, où elle présente souvent des émissions de télé-réalité comme de divertissement, souvent en prime time. Elle quittera la télévision en 2008 pour se consacrer au métier de comédienne, qu'elle abordera par le doublage. D'abord pour le film d'animation Robots, puis pour Garfield et Garfield 2, dans lesquels elle est la voix française de Jennifer Love Hewitt. Virginie Efira gardera un certain attachement pour le doublage puisqu'elle participera également à Max & Co en 2008.
La télévision lui permet également de faire ses armes avec un premier téléfilm Mon amour de fantôme (2006), l'histoire d'une mannequin qui achète une maison à la campagne. Sauf que la maison est hantée par le fantôme d'un chanteur des années 70. L'année suivante, elle se lance dans Off Prime, une série télé qui présente "la vie presque réelle de Virginie Efira". Après deux saisons, la série principalement scénarisée par Simon Astier s'arrête, faute d'audiences satisfaisantes pour la chaine. Off Prime a néanmoins permis à Virginie Efira de montrer qu'elle a les épaules pour porter seule des projets à bout de bras.
Elle apparait enfin dans un long-métrage pour un petit rôle de mime dans Les Barons réalisé par Nabil Ben Yadir. Elle joue avec son image de "bimbo" pour interpréter une cruche pas si stupide dans la comédie Le Siffleur avec François Berléand et Thierry Lhermitte. 2009 est son année puisqu'elle apparait dans une comédie à petit budget sur le suicide, Kill Me Please, puis figure en tête d'affiche de deux comédies sentimentales. La première, L' Amour c'est mieux à deux, la montre déconcertée par un Clovis Cornillac qui ne croit qu'au grand amour, et La Chance de ma vie, où elle subit le "chat noir" François-Xavier Demaison.
Après avoir joué au théâtre une adaptation de Nathalie..., un film signé Anne Fontaine, elle retrouve l'univers de la cinéaste en jouant dans Mon pire cauchemar, pour lequel elle retrouve Benoît Poelvoorde après Kill Me Please, et rencontre Isabelle Huppert.
Elle fait ensuite une apparition dans son propre rôle dans Hénaut Président de Michel Muller avant d'interpréter la sœur d'Alice Taglioni dans Cookie de Léa Fazer. La comédienne est à l'aise dans la comédie et le montre une nouvelle fois avec 20 ans d'écart (2013), où elle campe une femme cougar qui séduit le jeune Pierre Niney.
Toujours en 2013 - année durant laquelle l'actrice est très présente sur les écrans -, Virginie Efira double l'un des personnages principaux de Hôtel Transylvanie et côtoie plusieurs monstres du cinéma : François Berléand (Dead Man Talking), Gérard Depardieu (Les Invincibles) et enfin François Cluzet (En Solitaire).
Il faut attendre 2015 pour revoir Virginie Efira au cinéma. Dans la comédie romantique Caprice de et avec Emmanuel Mouret, elle interprète une actrice de théâtre faisant tourner la tête du facétieux réalisateur. Toujours dans le registre de la comédie, Virginie donne la réplique à son compatriote Benoït Poelvoorde dans Une Famille à louer où elle joue une jeune femme "prêtant" sa famille afin d'éponger ses dettes.
Après les comédies romantiques Le goût des merveilles et Un homme à la hauteur avec Jean Dujardin, la comédienne tourne sous la direction de Paul Verhoeven dans Elle, aux côtés d'Isabelle Huppert. Très sollicitée, Virginie s'illustre ensuite dans Victoria. Elle y incarne une avocate pénaliste en plein néant sentimental. Ce rôle lui vaut une nomination au César de la meilleure actrice en 2017.
Après un petit tour par la case TV dans la saison 2 de Dix Pour Cent, Virginie Efira brille dans le drame Un Amour impossible. Elle y campe Rachel, une jeune femme qui va se battre pour élever sa fille. Elle glane une nouvelle nomination au César de la meilleure actrice pour ce joli rôle offert par Catherine Corsini. L'artiste triomphe ensuite dans un des grands succès de l'année 2018, Le Grand bain, dans lequel elle entraîne une bande de bras cassés à la natation synchronisée. Elle reçoit une nomination au César du meilleur second rôle pour sa performance.
En 2019, l'actrice donne la réplique à Adèle Exarchopoulos dans Sybil. Elle y joue une romancière reconvertie en psychanalyste. Elle croise ensuite la route d'Omar Sy dans Police. Virginie prête ses traits à une policière chargée de reconduire un clandestin à la frontière. La comédienne tourne ensuite sous la direction d'Albert Dupontel dans Adieu les cons. Elle se glisse dans le costume de Suze Trappet, qui apprend à 43 ans qu’elle est sérieusement malade. Elle décide alors de partir à la recherche de l'enfant qu’elle a été forcée d'abandonner quand elle avait 15 ans.
En 2021, on retrouve Virginie dans le sulfureux Benedetta de Paul Verhoeven. À la fin du XVème siècle, alors que la peste fait rage, Benedetta Carlini entre comme novice au couvent de Pescia en Toscane. Capable depuis l'enfance de miracles, elle va bouleverser la vie de cette communauté.
