Elève du Conservatoire de Nîmes et du Cours Florent, Alexandra Lamy débute sa carrière de comédienne par le théâtre. Elle travaille entre autres sous la direction de Jean-Luc Moreau ("Ciel ma mère" et "Le Portefeuille"), et de Michel Galabru ("La Poule aux œufs d'or"), et interprète également les classiques du répertoire. Mais c'est la télévision qui lui apporte la notoriété : son rôle d'Alex, alias Chouchou, dans la série à succès Un gars, une fille, la révèle au grand public.
A l'assaut du Septième Art, la belle incarne une pin-up dans le court métrage A l'abri des regards indiscrets (2002), puis côtoie à deux reprises Bruno Solo dans Rien que du bonheur (id.) et Livraison à domicile (id.). Mais c'est aux côtés de son compagnon et partenaire de ses débuts, Jean Dujardin, qu'elle connaît son premier succès au cinéma : Brice de Nice (2005). Figurant au casting de L'Antidote et de Vive la vie, elle se retrouve également en tête d'affiche de la comédie romantique Au suivant !. Un genre qu'elle affectionne, comme le prouvent ses prestations dans les très légers On va s'aimer (2006), Cherche fiancé tous frais payés (2007) et Modern Love (2008). Contre toute attente, Alexandra Lamy tourne en 2008 sous la direction de François Ozon et devient par la même occasion la mère du petit Ricky, un enfant aux pouvoirs extraordinaires.
Elle apparaît ensuite sous les traits de Belle dans Lucky Luke, occasion pour elle et Jean Dujardin d'afficher une fois de plus leur complicité à l'écran, collaboration qu'ils réitèrent en 2012, dans le film à sketches sur le thème de l'infidélité, intitulé à juste titre Les Infidèles. Même si les choix professionnels de l'actrice allient souvent carrière et vie privée, elle participe également à des projets de son côté, sous la houlette de Sandrine Bonnaire (J'enrage de son absence), d'Eric Guirado (Possessions) ou encore d'Etienne Chatiliez (L'Oncle Charles, avec Eddy Mitchell).
Privilégiant la comédie légère, à l'image de Jamais le premier soir (2014), Bis (2015), Retour chez ma mère (2016) ou encore L'Embarras du choix (2017), Alexandra Lamy tourne dans le drame historique Nos patriotes (2017) et le drame Par instinct (id.), où elle se glisse dans la peau d'une avocate cherchant à protéger un enfant et sa mère dans les rues de Tanger.