Fille d'un prof de guitare et d'une infirmière, Adèle Exarchopoulos prend, dès l'enfance, des cours de théâtre. La première fois qu'on la repère au cinéma, c'est dans le film autobiographique de Jane Birkin, Boxes (2006) : elle y joue le rôle de la benjamine de la famille, clairement inspiré de Lou Doillon. Comme la mère de celle-ci, elle pourrait d'ailleurs chanter "Di doo di doo daj, J'ai je ne sais quoi d'un garçon manqué", quand on pense à ses rôles de gamine qui n'ont pas froid aux yeux dans Les Enfants de Timpelbach, Tête de Turc ou, sur un registre plus grave, La Rafle.

En 2011, Adèle Exarchopoulos fait partie des 30 espoirs du cinéma français sélectionnés par l'Académie des César. Puis, c'est la consécration avec La Vie d'Adèle (2013) d'Abdellatif Kechiche. Son rôle, celui d'une adolescente qui s'éveille à l'amour et à la sexualité grâce à une autre jeune fille, elle l'a décroché au terme d'un très long casting. Entre les longues séquences dialoguées, les larmes, les scènes de sexe très explicites, elle a accepté de tout donner à l'exigeant Kechiche. Sa partenaire à l'écran, Léa Seydoux, n'hésitera d'ailleurs pas à dénoncer les pratiques du réalisateur. Pour ce rôle, Adèle Exarchopoulos reçoit 19 prix dont, le Trophée Chopard et la Palme d'Or de Cannes (partagée avec Léa Seydoux et Abdellatif Kechiche, une première dans l'Histoire du festival), ainsi que le César du meilleur espoir féminin.

Bien évidemment, ce film marque un tournant dans sa carrière et les propositions fusent. En 2014, Adèle Exarchopoulos est en tête d'affiche du drame Qui Vive de Marianne Tardieu, aux côtés du très à la mode Reda Kateb. L'année suivante, elle donne la réplique à un autre acteur d'Un prophète en la personne de Tahar Rahim en faisant partie d'un groupe d'anarchistes devant la caméra d'Elie Wajeman.

Faisant partie des comédiennes les plus demandées en France, Adèle Exarchopoulos incarne une détenue dont un directeur de prison s'éprend dans Eperdument et l'héroïne d'Orpheline à l'un des quatre âges de sa vie. Elle côtoie aussi Sean Penn et Charlize Theron dans le très mal reçu The Last Face et se livre à une passion amoureuse intense avec le braqueur Matthias Schoenaerts dans Le Fidèle. En 2019, elle est à l'affiche de Sybil dans la peau d'une actrice en détresse qui a pour psychanalyste Virginie Efira.

2021 marque un tournant pour la comédienne. Elle est à l'affiche de l'un des plus gros succès de l'année avec le controversé et musclé Bac Nord de Cédric Jimenez, qui suit une bande de flics dans les quartiers Nord de Marseille. Mais elle a surtout l'occasion de montrer une nouvelle facette de son jeu, plus comique, avec Mandibules de Quentin Dupieux et la série La Flamme sur Canal+. Dans le premier, qui lui vaut une nomination au César du meilleur second rôle féminin, elle campe une jeune femme qui ne peut parler sans crier depuis qu’elle a été victime d’un accident de ski. Dans La Flamme, qui parodie les émissions de télé-réalité de dating type The Bachelor, elle est l'une des prétendantes de Jonathan Cohen, qui a subi la greffe d'un coeur de singe.

Un rôle qu'elle reprendra en 2022 dans Le Flambeau, les aventuriers de Chupacabra, qui s'attaque cette fois à Survivor et Koh-Lanta. Elle continue de s'épanouir dans ce registre burlesque avec Fumer fait tousser de Dupieux. La même année, elle est à l'affiche de deux drames : l'énigmatique et fantastique Les Cinq Diables, et le désabusé Rien à foutre. Sa performance d'hôtesse de l’air dans une compagnie low-cost lui vaut une nomination au César de la meilleure actrice. En 2024, elle obtient le César de la meilleure actrice dans un second rôle pour sa prestation intense dans le drame Je verrai toujours vos visages.