Cotillardová vyrůstala u Orléans a už jako dítě účinkovala v otcových hrách. Přestože údajně toužila po tom, stát se ochránkyní přírody a dokonce vstoupila do Greenpeace, šla v 15 letech studovat konzervatoř a po absolutoriu v roce 1994 se přestěhovala do Paříže.
U filmu debutovala v roce 1996 ve snímku Nádherná zelená od režisérky Coline Serreau, dva roky nato se objevuje ve filmu Taxi (a jeho dalších pokračováních), kde ztvárnila lásku hlavního hrdiny Lilly.
