Linh-Dan Pham naît au Viêt Nam, mais sa famille s’installe en France un an après sa naissance. Elle passe son enfance en banlieue parisienne et, en 1992, commence sa carrière d’actrice en fanfare. En effet, elle joue la fille adoptive de Catherine Deneuve dans le drame historique de Régis Wargnier, Indochine. Elle reçoit d'ailleurs une nomination au César du meilleur espoir féminin pour son rôle dans ce film et, deux ans plus tard, tient le premier rôle d’un film allemand (Jamila). Elle fait alors une pause de dix ans, pour se concentrer sur des études de commerce, et part travailler dans le management dans son pays d’origine.
Au début des années 2000, Linh-Dan Pham s’installe à New York où elle se tourne à nouveau vers la comédie en prenant des cours au célèbre Actor’s Studio. Finalement, la jeune femme revient en France et, pour le premier film dans lequel elle apparait (De battre mon cœur s'est arrêté de Jacques Audiard), elle obtient en 2006 le César du meilleur espoir féminin (plus de dix ans après sa première nomination). La comédienne enchaine ensuite les tournages des drames policiers Les Mauvais joueurs (2005) et Pars vite et reviens tard (2007) de Régis Wargnier, qu’elle retrouve donc 15 ans après Indochine.
Par la suite, l’actrice franco-vietnamienne poursuit une carrière éclectique, tournant en France mais aussi à l’étranger. Elle participe ainsi aux comédies Le Bruit des gens autour (2008), Tout ce qui brille (2010) et Associés contre le crime... (2012), s’essaye à la science fiction avec Dante 01 (2008) et Mr. Nobody (2010), mais également au film d’action américain (Ninja Assassin, 2010). En 2009, elle ajoute une corde à son arc en tournant pour la télévision. On la voit ainsi dans Pigalle, la nuit, série acclamée de Canal +. La même année, Linh-Dan Pham apparait dans Le Bal des actrices de Maïwenn et, en 2011, tourne pour la première fois au Viêt Nam, son pays natal, dans le drame Vertiges.
Second rôle plus oui moins marquant dans des films aussi différents que Les Yeux fermés, Le Grand Méchant Loup, Divin enfant, La Vie très privée de Monsieur Sim, Qu'un sang impur... ou encore Blue Bayou, Linh-Dan Pham prend part, début 2023, à Astérix et Obélix : L'Empire du Milieu de Guillaume Canet. Dans ce cinquième long métrage en prises de vues réelles consacré à l'indémodable petit Gaulois, elle incarne l'impératrice de Chine. Parallèlement, la comédienne poursuit sa carrière télévisuelle avec des rôles notables dans les séries Faites des gosses, Mytho et Or de lui.