Fille d'un policier et d'une assistante sociale, Déborah François passe le casting de L'Enfant de Jean-Pierre et Luc Dardenne alors qu'elle est encore lycéenne. Les frères belges, qui ont déjà découvert nombre de comédiens, de Jérémie Renier à Emilie Dequenne en passant par Olivier Gourmet, la choisissent pour incarner Sonia, une jeune mère qui se révolte lorsque son compagnon décide de vendre leur bébé. A Cannes, où le film obtient la Palme d'or en 2005, on salue la justesse et la sensibilité de l'actrice.

Déborah François revient sur la Croisette en 2006 à l'occasion de la présentation de La Tourneuse de pages de Denis Dercourt dans la section Un Certain regard. A mille lieues de sa composition brute de décoffrage chez les Dardenne, elle se révèle tout aussi convaincante en jeune femme manipulatrice face à Catherine Frot. Sans délaisser les réalisateurs belges (Les Fourmis rouges de Stephan Carpiaux), elle est de plus en plus sollicitée en France, aussi bien du côté des auteurs (L'Eté indien d'Alain Raoust) que du cinéma à grand spectacle : elle est, aux côtés de Sophie Marceau et de Julie Depardieu, l'une des Femmes de l'ombre dans la fresque sur la Résistance au féminin que signe Jean-Paul Salomé (2008).

En 2008, elle reçoit le César du meilleur espoir féminin pour son rôle dans Le Premier jour du reste de ta vie de Rémi Bezançon. Elle y incarne une adolescente un peu paumée au sein d'une famille portée par Jacques Gamblin et Zabou Breitman. Après un passage sur le petit écran (la série Ah, c'était ça la vie ! et le téléfilm d'Emmanuelle Bercot, Mes chères études), elle s'internationalise en jouant les jeunes adultes en quête d'elle-même pour l'argentin Alexis Dos Santos dans London Nights. On la retrouve en 2011 dans Le Moine, l'adaptation du roman gothique de Matthew G. Lewis par Dominik Moll. Elle y incarne un mystérieux personnage qui vient ébranler les convictions de Vincent Cassel.

Prodige de la dactylographie dans Populaire, jolie Gloria dans Maestro ou Hortense Cézanne dans Cézanne et moi, l'actrice joue aussi la fille d'un Thierry Lhermitte farceur dans la comédie grand public Ma Famille t'adore déjà. En 2017, elle rejoint un registre moins léger via Fleur de tonnerre qui raconte l'histoire vraie d'une empoisonneuse qui a sévi dans les années 1800 en Bretagne.