Léa Seydoux a grandi à Paris. Cherchant à surmonter sa timidité naturelle, elle s'inscrit pendant un an à un cours de théâtre aux Enfants Terribles. En 2006, elle décroche un rôle dans UNE VIEILLE MAÎTRESSE de Catherine Breillat, avant d'enchaîner avec 13 FRENCH STREET de Jean-Pierre Mocky.

En 2008, elle inscrit son nom aux génériques du film DE LA GUERRE de Bertrand Bonello, avec Guillaume Depardieu, et de LA BELLE PERSONNE de Christophe Honoré, qui lui vaut le prix Chopard du meilleur espoir féminin et une nomination au César du meilleur espoir féminin. En 2009, elle s'illustre dans INGLORIOUS BASTERDS de Quentin Tarantino, avec Brad Pitt. La même année, on la retrouve dans LOURDES de Jessica Hausner.

Elle a partagé l'affiche de ROBIN DES BOIS de Ridley Scott, où elle campe Isabelle d'Aquitaine et de ROSES À CRÉDIT d'Amos Gitaï. En 2011, elle a joué dans MINUIT À PARIS de Woody Allen, avec Owen Wilson et Rachel McAdams. On la retrouvera bientôt dans L'ENFANT D'EN HAUT d'Ursula Meier et LES ADIEUX À LA REINE de Benoît Jacquot.