30 Eylül 1975 tarihindeParis, Fransa'da dünyaya geldi. Babası Moliere Ödüllü yönetmen Jean-Claude Cotillard, annesi oyuncu ve drama öğretmeni Niseema Theillaud'dır. Çocukluk yıllarında oyunculuk yapmaya başlayan Cotillard, ilk kez babasına ait bir tiyatro oyununda seyirci karşısına çıktı.

1990lı yılların ortalarında başladığı sinema oyunculuğu kariyerine, 1998'de çekilen Luc Besson filmi "Taxi" ile ivme kazandırdı.

2003 yılında çekilen Tim Burton filmi "Big Fish" ile uluslararası kariyerine başlayan Cotillard, Yann Samuell'in "Love Me If You Dare" (Cesaretin Var mı Aşka) filmi ile uluslararası arenada yeteneğini kanıtlama fırsatı buldu. 2004yılında vizyona giren "A Very Long Engagement" ve "Innocence" filmleri ile adından sözettirmeyi başardı. 2006 yılında Ridley Scott'ın "A Good Year" adlı filminde rol aldı.

2007 yılında vizyona giren "La Vien En Rose" adlı filmde, yönetmen Oliver Dahan tarafından Edith Piaf rolüne uygun görülen Cotillard, bu roldeki başarısı ile 80. Oscar Ödül töreninde, En İyi Kadın Oyuncu ödülüne layık görüldü.

1 Mart 2008 tarihinde, Çek Cumhuriyeti'nin en saygın sinema ödülü olarak kabul edilen "Czech Lion" ödülünü kazanan Cotillard, "Public Enemies" filminin çekimleri devam ettiği için Prag'da yapılan törene katılamadı.

2010 yılında Christopher Nolan tarafından yazılan ve yönetilen bilim kurgu türündeki "Başlangıç" (Inception) filminde Mal (Cobb'ın Eşi) karakterini canlandırdı. Bu filmde Leonardo Di Caprio, Joseph Gordon Levitt, Ken Watanabe, Ellen Page, Cillian Murphy, Tom Berenger, Tom Hardy, Michael Caine ile beraber rol aldı.

2007 yılından itibaren sinema oyuncusu Guillaume Canet ile birliktedir. Marcel Canet (d.2011) adında bir oğlu vardır.

Ödülleri :
2008 - 80.Oscar Ödülleri - En İyi Kadın Oyuncu (Kaldırım Serçesi)
2008 - Czech Lion ödülü

Filmleri ve Dizileri:
2016 - Mal de pierres (Sinema Filmi)
2016 - Assassin's Creed (Sinema Filmi)
2015 - Macbeth ( Lady Macbeth) (Sinema Filmi)
2014 - İki Gün Ve Bir Gece (Sandra) (Sinema Filmi)
2014 - Un monde truqué (Avril) (Sinema Filmi)
2014 - Land of the Bears (Anlatıcı) (Sinema Filmi)
2014 - Dior and I (Herself) (Sinema Filmi)
2013 - The Immigrant (Eva Cyblsky) (Sinema Filmi)
2013 - Kan Bağları (Monica) (Sinema Filmi)
2012 - Pas ve Kemik (Stephaine) (Sinema Filmi)
2012 - Kara Şövalye Yükseliyor (Miranda Tate) (Sinema Filmi)
2011 - Salgın (Dr. Leonora Orantes) (Sinema Filmi)
2011 - Paris'te Gece Yarısı (Muse) (Sinema Filmi)
2010 - The 67th Annual Golden Globe A... (Kendisi) (TV Filmi)
2010 - Küçük Beyaz Yalanlar (Marie) (Sinema Filmi)
2010 - Başlangıç (Mal (Cobb'ın Eşi)) (Sinema Filmi)
2009 - The Last Flight (Marie Vallières de Beaumont) (Sinema Filmi)
2009 - Okyanus Dünyası 3D (Seslendirme) (Sinema Filmi)
2009 - Nine (Luisa Contini) (Sinema Filmi)
2009 - Halk Düşmanları (Billie Frechette) (Sinema Filmi)
2009 - 81st Annual Academy Awards (Kendisi) (TV Filmi)
2008 - The 80th Annual Academy Awards (Kendisi) (TV Filmi)
2007 - Kaldırım Serçesi (Edith Piaf) (Sinema Filmi)
2006 - İyi Bir Yıl (Fanny Chenal ) (Sinema Filmi)
2006 - Toi et moi (Lena) (Sinema Filmi)
2006 - Fair Play (Nicole) (Sinema Filmi)
2005 - The Black Box (Isabelle Kruger) (Sinema Filmi)
2005 - Mary (Gretchen Mol) (Sinema Filmi)
2005 - Havada Aşk Var (Alice) (Sinema Filmi)
2004 - Le Grand Journal De Canal+ (Kendisi)Tv Programı (7 Bölüm)
2004 - Kayıp Nişanlı (Tina Lombardi) (Sinema Filmi)
2003 - Taksi 3 (Lily) (Sinema Filmi)
2003 - Cesaretin Var mı Aşka? (Sophie Kowalsky) (Sinema Filmi)
2003 - Büyük Balık (Josephine) (Sinema Filmi)
2002 - A Private Affair (Clarisse Entoven) (Sinema Filmi)
2000 - Taksi 2 (Lilly Bertineau) (Sinema Filmi)
1999 - Furia (Elia) (Sinema Filmi)
1998 - Vivement Dimanche (Kendisi) (TV Dizisi) (2 Bölüm)
1998 - Taksi (Lilly Bertineau) (Sinema Filmi)
1996 - Comment Je Me Suis Disputé... ... (Öğrenci) (Sinema Filmi)
1976 - La Nuit Des Césars (Kendisi) (TV Dizisi) (2 Bölüm)