Hafsia Herzi n'a que 13 ans lorsqu'elle décroche un rôle, certes mineur, dans Notes sur le rire, un téléfilm pour France 3 adapté du roman de Marcel Pagnol. Elle enchaîne avec quelques rôles de figuration, et auditionne pour les séries Plus belle la vie et Sous le soleil ; essais au terme desquels elle n'est pas retenue. C'est en 2005 que la chance tourne pour la jeune comédienne : sa rencontre avec Abdellatif Kechiche s'avère décisive, puisque ce dernier lui offre le premier rôle de La Graine et le mulet, dans lequel elle incarne le personnage de Rym. Coup d'essai, coup de maître : Hafsia décroche successivement le Prix Marcello Mastroianni de la 64ème Mostra de Venise et le César du Meilleur espoir féminin.

N'ayant jamais pris de cours pour exercer le métier d'actrice, elle quitte Marseille dans la foulée et part s'installer à Paris, où elle s'inscrit en droit à l'université, se met à suivre des cours de théâtre au conservatoire et prend même des cours de diction pour atténuer son accent méditerranéen. Elle décide de se consacrer exclusivement au cinéma, et obtient rapidement les rôles principaux de Française et de L'Aube du monde, pour lequel elle apprend l'irakien. En 2009, elle joue sous la direction de Francis Huster dans Un homme et son chien, aux côtés de Jean-Paul Belmondo avant de partager la vedette avec Jacques Dutronc pour le quatrième film de Xavier De Choudens : Joseph et la fille.

L'année 2011 semble être celle de la consécration pour la jeune comédienne puisqu'on la retrouve à l'affiche de quatre films et pas des moindres : Jimmy Rivière de Teddy Lussi-Modeste, Le Chat du rabbin où elle se prête à l'exercice du doublage, L' Apollonide - souvenirs de la maison close de Bertrand Bonello et La Source des femmes de Radu Mihaileanu. Dans Héritage de Hiam Abbass, l'actrice campe la rebelle Hajar, la plus jeune fille de la famille arabe au centre du long métrage. De plus en plus présente sur les écrans, Hafsia Herzi multiplie les projets et ses rôles gagnent de l'importance, à l'image de ses prestations dans Fugues marocaines, Le Sac de farine, Certifiée halal ou encore Sex Doll.

Elle collabore également à nouveau avec Abdellatif Kechiche sur les deux polémiques Mektoub, my love. La comédienne goûte également aux joies du thriller via Persona non grata de Roschdy Zem, dans lequel elle donne la réplique à Nicolas Duvauchelle et Raphaël Personnaz. En 2019, la comédienne met en scène son premier long métrage, Tu mérites un amour, dans lequel elle tient aussi le rôle principal. On la voit ensuite en solide second rôle dans le biopic Madame Claude, le drame Sœurs, la comédie carcérale À l'ombre des filles et la comédie romantique Trois nuits par semaine. La native de Manosque repasse aussi derrière la caméra pour Bonne mère, le portrait d'une mère courage cumulant divers boulots.

En 2023 et 2024, Hafsia Herzi interprète les personnages principaux dans deux drames intenses. Dans Le Ravissement, où elle campe une sage-femme qui s'enferme dans une spirale de mensonges, puis dans Borgo, où elle se glisse dans la peau d'une survillante pénitentire confrontée à la mafia en Corse. On la verra ensuite dans le nouveau Téchiné, Les Gens d'à côté.