yönetmen bir babanın ve oyuncu bir annenin kızı olarak dünyaya geldi. Çocukluğundan beri tiyatro sahnelerinde olan Cotillard ilk kez babasına ait bir oyunda sahne aldı.

90'lı yılların ortalarında başlayan oyunculuk kariyeri Luc Besson imzalı "Taxi" ile yükselişe geçti. Tim Burton yapımı "Big Fish" (2003) ile uluslararası kariyerine başlayan Cotillard, "Cesaretin Var mı Aşka" (Love Me If You Dare, 2003) ile kendini kanıtlama fırsatı buldu.

2007 yılında vizyona giren "Kaldırım Serçesi" (La Vien En Rose, 2007) adlı filmdeki 'Edith Piaf' rolündeki başarısı ile En İyi Kadın Oyuncu Oscar ödülünü aldı.

Kendini kanıtlayan güzel oyuncu bu tarihten sonra "Başlangıç", "Halk Düşmanları", "Paris'te Gece Yarısı", "Macbeth", "İki Gün", "Bir Gece", "Kara Şövalye Yükseliyor", "Pas ve Kemik", "Nine", "Alt Tarafı Dünyanın Sonu" gibi pek çok önemli yapımda rol aldı.

2007’den beri birlikte olduğu Fransız yönetmen Guillaume Canet ile 2011 yılında adına Edith Piaf’ın bir uçak kazasında hayatını kaybeden sevgilisinin adı Marcel’i verdikleri bir erkek çocukları dünyaya geldi.

2016’da ise "Müttefik" (Allied), "Assassin's Creed" ve "Aşk Mektupları" (Mal de pierres) filmlerinde başrolde yer aldı.