Hija de padres alsacianos protestantes, se crio en St.Germain-des-Prés y recibió una estricta educación religiosa.

[cita requerida] Inició su carrera como actriz en el cine francés y participó en las películas Una vieja amante (2007), On War (2008) y, años más tarde, en La belle et la bête.

Llamó la atención después de recibir su primera nominación a los Premios César por su actuación en La Belle Personne (2008) y ganó el Trophée Chopard, en el Festival de Cine de Cannes.

Desde entonces, ha actuado en distintas películas de Hollywood, como Inglourious Basterds (2009), Robin Hood (2010), Medianoche en París (2011), Misión imposible: Protocolo fantasma (2011), El Gran Hotel Budapest (2014) o como Chica Bond, de James Bond, en Spectre (2015)[1]​[2]​ y Sin tiempo para morir.

En 2014 fue nominada en los Premios BAFTA a mejor estrella emergente.