Inizia la sua carriera ad appena due anni, ereditando poi il nome d'arte di "Ledoyen" dalla nonna materna, che era un'attrice teatrale. Debutta presto sul grande schermo ed arriva al successo con la stessa rapidità ad appena 20 anni con il film La Fille seule, per il quale sarà nominata al Premio César. Nel 2002 vince l'Orso d'argento come miglior attrice al Festival di Berlino per il film 8 donne e un mistero.