Esther Garrel baigne dans le cinéma depuis sa plus tendre enfance. Son père, Philippe Garrel, est réalisateur et scénariste tout comme sa mère, Brigitte Sy. Quant à son frère, Louis Garrel, il est acteur.

Elle fait ses débuts sur grand écran avec le court Zanzibar à Saint Sulpice de Gérard Courant en 1999 puis, sous la direction de son père, elle joue la petite fille dans le long métrage Sauvage innocence. Christophe Honoré lui offre, en 2008, le rôle d'Esther dans La belle personne aux côtés de son frère.

Les années suivantes sont chargées pour la jeune actrice : L'Apollonide - souvenirs de la maison close (2011) où elle interprète une prostituée, 17 filles (id.) dans lequel elle est une adolescente enceinte. Elle campe également la fille de Noémie Lvovsky dans le bien reçu Camille Redouble. Jeune espoir du cinéma français, Esther obtient un premier rôle dans Jeunesse (2013), le premier film de Justine Malle et incarne la réalisatrice étant jeune.

À la fin de l'année 2013, Esther Garrel retrouve son père, Philippe, et son frère, Louis, dans le drame romantique La Jalousie. Elle continue ensuite sa carrière dans le film d'auteur avec des petits rôles dans Marguerite & Julien de Valérie Donzelli et L'Astragale avec Reda Kateb. Philippe Garrel fait à nouveau appel à son actrice de fille en 2017 dans L'Amant d'un jour. L'année suivante, la jeune femme interprète la petite amie de Timothée Chalamet dans l'acclamé Call Me By Your Name. La même année, elle est à l'affiche de C'est qui cette fille ; elle y campe Clémence, la copine de Jérôme (Damien Bonnard).