Née à Paris d'une famille d'origine espagnole dont le père s'appelle Fernandez, elle passe son enfance à Aubervilliers où ses parents ont un pavillon. Son père et sa mère tiennent un stand sur les marchés ; elle les accompagne parfois dans leur métier de démonstrateurs et admire leur technique de vente à la manière de la commedia dell'arte. Elle a un frère Michael né en 1980. Dès ses premiers films et à la demande de son père, elle prend comme pseudonyme le nom de jeune fille de sa grand-mère paternelle, comme hommage au fait que celle-ci était actrice amateur. Alors qu'elle a dix ans, ses parents divorcent.
En 1979, elle débute sa carrière d'actrice (à l'âge de 3 ans) en participant à des publicités, entre autres pour Bledina, Buitoni ou Air Inter. En 1986, elle apparaît dans le clip Sauvez l'Amour de Daniel Balavoine, et la même année elle intègre l'école des enfants du spectacle (Rognoni) à Paris1. En 1987, elle tourne son premier film au cinéma, à l'âge de 10 ans, avec le film franco-italien Les Exploits d'un jeune Don Juan de Gianfranco Mingozzi. En 1988 elle joue dans le clip de François Feldman Je te retrouverai. Puis elle enchaîne une carrière d'actrice de cinéma. En 1991, à l'âge de 14 ans, elle est choisie par Philomène Esposito pour jouer le rôle principal du film Mima, qui lui vaut les éloges des critiques pour son talent et son charisme d'actrice. Quelques mois plus tard, elle joue avec Marcello Mastroianni et Michel Piccoli dans Le Voleur d'enfants de Christian de Chalonge.
En 1993, elle est nommée pour le César du cinéma du meilleur jeune espoir féminin pour sa prestation dans Les Marmottes de Élie Chouraqui. Sa rencontre avec Olivier Assayas, avec qui elle tourne deux films, est déterminante dans sa carrière. L'Eau froide la confirme dans sa vocation d'actrice. En 1999, elle devient ambassadrice et égérie de la marque de cosmétiques L'Oréal.
En 2000, elle tourne dans La Plage de Danny Boyle, sur les îles Phi Phi en Thaïlande aux côtés de Leonardo DiCaprio et de Guillaume Canet. On la voit la même année dans l'adaptation télévisée des Misérables de Josée Dayan, où elle incarne Cosette, aux côtés de Gérard Depardieu. En 2002, elle fait partie de la distribution de Huit Femmes de François Ozon, dans lequel elle chante Toi mon amour, mon ami, de Marie Laforêt. Deux ans plus tard, elle joue dans un film d'épouvante français, Saint Ange, réalisé par Pascal Laugier.
En 2007, elle joue avec Arié Elmaleh dans la pièce de théâtre de Fabrice Roger-Lacan Irrésistible, mise en scène par Isabelle Nanty. En 2009, elle joue, en compagnie de Simon Abkarian et de Jean-Pierre Darroussin, dans la fresque historique L'Armée du crime de Robert Guédiguian, film sur la résistance du groupe Manouchian contre l'occupant allemand et le gouvernement de Vichy. En 2010, elle devient égérie de la marque IKKS aux côtés de Vincent Pérez3 et elle joue dans Tout ce qui brille, le succès public et critique de Géraldine Nakache et Hervé Mimran.
En 2011, on la retrouve dans la série XIII : La Série sur Canal+, où elle incarne une tueuse à gages impitoyable.
En 2012, elle tourne pour le cinéma, en particulier dans Les Adieux à la reine, où elle joue le rôle de la duchesse de Polignac.
Plus tard en 2012, elle prête sa voix au personnage de Chloé Lynch dans le jeu Call of Duty: Black Ops 2.
En 2013 elle est membre du jury des longs-métrages lors du 70e Festival de Venise. En 2014 sort son film Une autre vie. C'est sa seconde collaboration avec Emmanuel Mouret.
Elle est officier de l'ordre des Arts et des Lettres.
Filmographie1987 : Les Exploits d'un jeune Don Juan, de Gianfranco Mingozzi
1991 : Mima, de Philomène Esposito
1991 : Le Voleur d'enfants, de Christian de Chalonge
1991 : Mouche, de Marcel Carné (inachevé)
1993 : Les Marmottes, d'Élie Chouraqui
1994 : La Folie douce, de Frédéric Jardin
1994 : L'Eau froide d'Olivier Assayas
1995 : La Cérémonie de Claude Chabrol
1995 : La Fille seule, de Benoît Jacquot
1996 : Sur la route, d'Antoine Santana
1996 : Mahjong, d'Edward Yang
1997 : Marianne, de Benoît Jacquot
1997 : Héroïnes, de Gérard Krawczyk
1997 : Ma 6-T va crack-er, de Jean-François Richet
1998 : En plein cœur, de Pierre Jolivet
1998 : Fin août, début septembre, d'Olivier Assayas
1998 : Jeanne et le Garçon formidable, d'Olivier Ducastel et Jacques Martineau
1998 : La fille d'un soldat ne pleure jamais de James Ivory
2000 : La Plage, de Danny Boyle
2001 : De l'amour, de Jean-François Richet
2002 : Huit Femmes de François Ozon
2003 : Mais qui a tué Pamela Rose ? d'Éric Lartigau
2003 : Bon voyage, de Jean-Paul Rappeneau
2004 : Saint Ange, de Pascal Laugier
2004 : Gang de requins, d'Éric Bergeron (voix de Lola)
2005 : Holly, de Guy Moshe
2006 : La Doublure, de Francis Veber
2006 : The Backwoods, de Koldo Serra
2007 : Un baiser s'il vous plaît, d'Emmanuel Mouret
2008 : Mes amis, mes amours, de Lorraine Lévy
2008 : L'Emmerdeur, de Francis Veber
2009 : L'Armée du crime, de Robert Guédiguian
2010 : Tout ce qui brille, de Géraldine Nakache et Hervé Mimran
2011 : The Shape of Art to Come, de Julien Levy
2012 : Les Adieux à la reine, de Benoît Jacquot
2012 : À votre bon cœur, mesdames, de Jean-Pierre Mocky
2013 : Une autre vie, d'Emmanuel Mouret
2014 : Ablation, d'Arnold de Parscau
Télévision1988 : La Vie en panne, d'Agnès Delarive
1994 : La Règle de l'homme, de Jean-Daniel Verhaeghe
1995 : La Vie de Marianne, de Benoît Jacquot
1995 : Les Sensuels, de Michel Marx
2000 : Les Misérables de Josée Dayan
2006 : La forteresse assiégée, de Gérard Mordillat
2009 : L'une chante, l'autre aussi, documentaire d'Olivier Nicklaus : elle-même
2009 : Myster Mocky présente, de Jean-Pierre Mocky (1 épisode)
2011 : XIII : La Série (13 épisodes)
2013 : Scènes de ménages (1 épisode)
Jeux vidéos2012 : Call of Duty: Black Ops 2 : Chloé Lynch
Récompenses et nominations1998 : Prix Suzanne-Bianchetti pour La Plage
2002 : Ours d'argent pour Huit Femmes
2002 : Prix du cinéma européen pour Huit Femmes
César 1994 : nomination au César du meilleur espoir féminin pour Les Marmottes
César 1995 : nomination au César du meilleur espoir féminin pour L'Eau froide
César 1996 : nomination au César du meilleur espoir féminin pour La fille seule