Fille d'un sculpteur et d'une mère professeur de lettres, elle fait ses débuts sur les planches à 16 ans (Le Malade imaginaire de Molière, puis Henri IV de Pirandello) avant de rentrer au Conservatoire.Après plusieurs rôles secondaires (notamment dans le Je vous salue Marie (1985) de Jean-Luc Godard), elle obtient son premier grand rôle grâce à André Techiné dans Rendez-vous (1985).Les dix années suivantes, elle se fait assez rare, ne tournant qu'avec des metteurs en scène qu'elle choisit comme Philip Kaufman pour L'Insoutenable Légèreté de l'être, ou encore Leos Carax pour Mauvais sang et Les Amants du Pont-Neuf, ce dernier film la mobilisant pendant plusieurs années.Après sa rencontre avec Krzysztof Kieslowski et son César de la meilleure actrice pour Trois couleurs - Bleu , elle tourne beaucoup plus, abordant pour la première fois des films grand public tels que Le Hussard sur le toit de Jean-Paul Rappeneau et des grosses productions américaines comme Le Patient anglais d'Anthony Minghella, qui lui rapporte un Oscar, près de quarante ans après Simone Signoret, et Le Chocolat de Lasse Hallström. A la fin des années 90, elle retrouve Téchiné (Alice et Martin) et découvre Patrice Leconte (La Veuve de Saint-Pierre). Sans abandonner le cinéma d'auteur (Code inconnu de Michael Haneke), elle se tourne enfin vers des rôles plus légers comme dans la comédie de Danielle Thompson Décalage horaire. Elle est la compagne de l'acteur français Benoît Magimel qu'elle a connu sur le tournage des Enfants du siècle de Diane Kurys.
Curieuse et passionnée, elle prend part à des films qui abordent des questions politiques : les crimes de l'Apartheid (In my country), le sort des réfugiés (Par effraction) ou le conflit israélo-palestinien (Désengagement).
Sa stature internationale lui permet d'apparaître dans des blockbusters (Godzilla, Ghost in the Shell) ou de travailler avec des maîtres du cinéma mondial tels que Hou Hsiao Hsien (Le Voyage du ballon rouge, 2008), Abbas Kiarostami (Shirin, Copie conforme pour lequel elle obtient le Prix d’interprétation féminine à Cannes), David Cronenberg (Cosmopolis, 2012) et les Japonais Naomi Kawase (Voyage à Yoshino, 2018) et Hirokazu Kore-eda (La Vérité (…), 2019).
Malgré sa popularité hors de nos frontières, elle démontre sa fidélité à des cinéastes français tels que Claire Denis (la comédie Un beau soleil intérieur et le controversé film de SF High Life), Bruno Dumont (l’austère biopic Camille Claudel, 1915 et l’extravagant Ma Loute) et Olivier Assayas (L’Heure d’été, Sils Maria, Doubles vies).
