En 1998, on remarque la silhouette fragile de Mia Hansen-Løve, fille d'un traducteur et d'une enseignante de philosophie, dans Fin août, début septembre d'Olivier Assayas. Elle y incarne la jeune Véra, dernière petite amie de l'écrivain tourmenté François Cluzet. Deux ans plus tard, elle fait une apparition dans Les Destinées sentimentales du même réalisateur, et prend des cours dans un Conservatoire municipal parisien. Elle décide pourtant de mettre un terme à sa carrière d'actrice, et devient critique aux Cahiers du Cinéma jusqu'en 2005.
Après une poignée de courts, Mia Hansen-Løve signe en 2006 son premier long métrage, Tout est pardonné, le portrait d'une famille qui se désagrège suite à la dépendance du père à la drogue. Présenté à la Quinzaine des Réalisateurs, salué par le Prix Louis-Delluc de la première oeuvre, le film séduit par sa délicatesse, mais aussi par la subtilité de sa construction et par la fraîcheur de comédiens débutants ou méconnus.
Toutes ces qualités sont présentes dans le deuxième opus de la réalisatrice, vu à Cannes en 2009 dans la section Un Certain Regard. Le Père de mes enfants est inspiré des derniers jours de la vie de Humbert Balsan, gentleman producteur qui, avant de mettre fin à ses jours en 2005, avait envisagé de financer le premier film de Mia Hansen-Love.
On la retrouve un an plus tard toujours derrière la caméra avec Un amour de jeunesse, une comédie dramatique qui dresse le portrait d'une jeune femme fragile recroisant, par hasard, son amour d'adolescence. En 2013, Mia Hansen-Love retourne au Festival de Cannes pour y présider le Jury "Courts métrages" de la Quinzaine. Un an après, elle livre Eden, son quatrième long métrage, une plongée en pleine effervescence de la scène électro française des années 1990 (inspiré du parcours de son frère Sven).
En 2016, Mia Hansen-Løve réalise le drame L'Avenir, emmené par Isabelle Huppert jouant une enseignante de philosophie qui cherche à réinventer sa vie lorsque son mari la quitte. Pour l'occasion, la cinéaste reçoit l'Ours d'Argent du Meilleur réalisateur au Festival de Berlin. Deux ans plus tard, elle signe la romance Maya, dans lequel un journaliste français (Roman Kolinka) se rend en Inde, où il a grandi, après avoir été enlevé en Syrie puis libéré. Sur place, il fait la rencontre d'une jeune Indienne, Maya (Aarshi Banerjee).
Avide de nouveaux défis, Mia Hansen-Løve frappe fort en 2021 avec Bergman Island, son premier film tourné intégralement en langue anglaise où un couple de cinéastes américains se rend sur l’île de Fårö, en Suède, où vivait Ingmar Bergman. Alors qu'ils se lancent dans l'écriture de leur nouveau film, ils vont se perdre entre fiction et réalité au cœur de ces paysages mystérieux. Le long métrage présenté à Cannes est porté par Vicky Krieps, Tim Roth, Mia Wasikowska et Anders Danielsen Lie.
La réalisatrice retrouve la croisette en 2022 avec Un beau matin, un nouveau drame romantique où Léa Seydoux campe une mère élevant seule sa fille et se battant pour faire installer son père (Pascal Greggory) malade dans une structure adéquate. Elle croise alors la route d'un ancien ami (Melvil Poupaud).