Interprete di pellicole quali I tre moschettieri, Broken Flowers con Bill Murray, la nota trilogia dei colori del regista Krzysztof Kie?lowski composta da Tre colori - Film blu, Tre colori - Film bianco (del quale è protagonista) e Tre colori - Film rosso e la trilogia di genere sentimentale del regista Richard Linklater composta da Prima dell'alba, Before Sunset - Prima del tramonto e Before Midnight (recitata al fianco di Ethan Hawke e negli ultimi due capitoli anche scritta dai due attori assieme al regista), è anche un'apprezzata cantante, tanto da avere inciso nel 2003 un disco che porta il suo stesso nome.

Nel 2002 ha esordito alla regia con Looking for Jimmy, seguito nel 2007 da 2 giorni a Parigi, in cui è anche protagonista.

Bilingue naturalizzata statunitense dal 2001, vive a Los Angeles con il compagno Marc Streitenfeld, da cui ha avuto un figlio, Leo, nato nel gennaio 2009.