En 1999 interpretó su primer papel protagonista en Gouttes d'eau sur pierres brûlantes y en el 2002 interpreta el papel de Catherine en 8 mujeres (8 femmes) de François Ozon.
En 2003 obtiene el Premio Romy Schneider y Jean Gabin.
Ludivine Sagnier realizó el papel del hada "Campanilla" en la película Peter Pan de P. J. Hogan.
Con ocasión del Festival de Cinematografía Franco-Mexicano, Ludivine Sagnier estuvo en México para presentar la cinta La Piscine (Juegos Perversos, Swimming Pool).
En 2016 encarnó a la devota Esther en la serie The Young Pope de Paolo Sorrentino.