Elodie Bouchez étudie le théâtre à l'Université. D'abord danseuse, elle commence sa carrière cinématographique par des rôles sulfureux dans Stan the Flasher de Serge Gainsbourg et Le Cahier volé de Christine Lipinska, dans lequel elle joue son premier grand rôle.André Techiné la remarque dans Le Péril jeune et lui offre un des principaux rôles dans l'autobiographique Les Roseaux sauvages. Cette rencontre se révèle déterminante pour la carrière de la comédienne et lui vaut le César du meilleur Jeune Espoir Féminin en 1995. Sur le tournage, elle fait la connaissance de Stéphane Rideau et de Gael Morel. Lorsque ce dernier passe derrière la caméra, le trio se reforme pour A toute vitesse en 1996.Diversifiant ses rôles, elle joue notamment une muette dans Clubbed to Death, de Graham Guit (qu'elle retrouve pour Les Kidnappeurs), une junkie dans Le Ciel est à nous et participe à des productions plus indépendantes comme Louise (take 2) en 1997. En 1998, elle partage avec Natacha Régnier l'affiche de La Vie rêvée des anges d'Erick Zonca. La performance des deux actrices est récompensée d'un prix d'interprétation féminine à Cannes.En 1999, elle entame une collaboration avec Jean-Marc Barr, rencontré sur J'aimerais pas crever un dimanche (1998). Sous la direction de Barr (et de Pascal Arnold), Bouchez enchaîne Lovers, Too Much Flesh (avec Barr lui-même) et Being light, les trois volets qui composent la "Trilogie de la liberté".En 2000, elle commence également une carrière américaine en jouant dans Shooting vegetarians. On la retrouvera ensuite dans CQ, premier film de Roman Coppola présenté à Cannes en 2000, et dans America Brown en 2003.Elle ne réchigne pas non plus à jouer dans de grosses productions françaises telles que Le Petit Poucet d'Olivier Dahan ou dans Brice de Nice en 2005.
Absente des écrans durant près de deux ans, Elodie Bouchez revient au cinéma à partir de 2007 dans des films français aux genres distincts : du film choral (Ma place au soleil), au drame érotique (Happy Few) en passant par la comédie (Je déteste les enfants des autres, La Grande boucle, Seuls Two d'Eric et Ramzy). Elle retrouve d'ailleurs en 2016 Ramzy Bedia pour sa première réalisation en solo, l'atypique Hibou, et se glisse dans un autre univers décalé, celui de Quentin Dupieux pour Réalité.
Après avoir retrouvé pour la septième fois Romain Duris dont elle joue l'épouse dans le poisseux Fleuve noir, Elodie Bouchez s'offre des apparitions discrètes mais touchantes dans Gaspard va au mariage et Guy, faux documentaire sur une vieille gloire de la chanson française. 2018 lui offre également l'opportunité de briller au premier plan : dans la mini-série de Laetitia Masson, Aurore, où elle tente de se reconstruire après avoir commis un meurtre dans son enfance, et au cinéma dans le bouleversant Pupille qui plonge dans les coulisses du processus d'adoption d'un bébé.
