Fille de comédiens, Marion Cotillard baigne dans l'atmosphère exaltante des plateaux de théâtre. Dès qu'on a besoin d'un bébé ou d'un enfant pour une pièce, la voici sur les planches, donnant la réplique à sa mère. Après quelques apparitions pour Arnaud Desplechin (Comment je me suis disputé... (ma vie sexuelle) en 1996) et Coline Serreau (La Belle verte), c'est la série des "Taxi" (Taxi en 1998 et Taxi 2 en 2000, puis Taxi 3 en 2003), produite par Luc Besson, qui la révèle au grand public. Suivent deux rôles importants dans Furia d'Alexandre Aja et Lisa de Pierre Grimblat.
En 2001, Marion Cotillard porte, par sa double prestation, Les Jolies choses de Gilles Paquet-Brenner, une adaptation cinématographique du roman de Virginie Despentes. Elle y incarne deux sœurs jumelles, la seconde, timide et réservée, étant amenée à vivre la vie de la première, fougueuse et libérée. L'année suivante, elle donne la réplique à Guillaume Canet, dans la comédie romantique Jeux d'enfants (2002), avant de retrouver le comédien, devenu son compagnon, dans Le Dernier vol (2009) de Karim Dridi. Son joli minois devenu incontournable, la belle tente une carrière à l'international en jouant sous la direction de Tim Burton dans Big fish (2003), avant de décrocher le César de la Meilleure actrice dans un second rôle pour Un long dimanche de fiançailles (2004) de Jean-Pierre Jeunet.
En 2005, Titoff, Vincent Elbaz et José Garcia figurent parmi les comédiens qui succombent à l'écran au charme de l'actrice, le premier dans Cavalcade, le second dans la comédie Ma vie en l'air et le troisième dans le thriller La Boîte noire. Toujours aussi prolifique - elle compte pas moins de cinq films en 2006 parmi lesquels Dikkenek et Fair play - Marion retrouve Hollywood en s'illustrant aux côtés de Russell Crowe dans la comédie romantique de Ridley Scott Une grande année (2007). Mais c'est son hallucinante composition de La Môme Piaf qui la fait entrer dans la légende... Avec en poche un Golden Globe, un BAFTA, un César et un Oscar de la Meilleure actrice, elle ne tarde pas à enchaîner les productions de prestige comme Public Enemies et Nine.
En 2010, elle joue de nouveau devant la caméra d'un des réalisateurs les plus cotés du moment, Christopher Nolan, dans son thriller mystérieux Inception où elle a pour partenaire Leonardo DiCaprio. Elle est également à l'affiche du troisième long-métrage de Guillaume Canet, Les Petits mouchoirs, avant de jouer sous la férule de Woody Allen dans Minuit à Paris, puis de Steven Soderbergh dans Contagion. En 2012, elle illumine le cinéma français par sa collaboration avec Jacques Audiard dans De rouille et d'os et retrouve Nolan pour la deuxième fois dans le film le plus attendu de l'année : The Dark Knight Rises, continuant ainsi d'alterner productions françaises et productions internationales.
Marion est en 2013 à l'affiche de deux films se déroulant à New York et qui ont un lien avec le prestigieux metteur en scène James Gray : le remake Blood Ties écrit par ce dernier et réalisé par son mari, suivi du sombre The Immigrant où, là encore, sa prestation d'une immigrée marque les esprits. Elle retourne en France l'année suivante pour se glisser dans la peau d'une salariée licenciée dans le drame des frères Dardennes Deux jours, une nuit. Adepte de projets ambitieux, la comédienne succède à Natalie Portman pour jouer l'épouse du roi Macbeth/Michael Fassbender dans le film du même nom. Elle retrouve l'acteur dans l'adaptation du jeu vidéo Assassin's Creed, qui se solde par un échec au box-office.
A l'affiche de l'originale comédie Rock'n Roll de Guilaume Canet, Marion Cotillard tourne pour de prestigieux cinéastes, comme Nicole Garcia (Mal de Pierres), Xavier Dolan (Juste La Fin Du Monde), Robert Zemeckis (Alliés) ou encore Arnaud Desplechin (Les Fantômes d’Ismaël). En 2018, elle livre une prestation bouleversante d'une jeune mère alcoolique et irresponsable dans Gueule d'ange. L'année suivante, l'actrice reprend son rôle de Marie dans Nous finirons ensemble, suite des Petits mouchoirs. Puis, elle campe une cantatrice de renom dans le film musical Annette de Leos Carax, la sœur de Melvil Poupaud dans Frère et sœur de Desplechin et Cléopâtre dans Astérix et Obélix : L'Empire du Milieu.
Adapte de projets difficiles, Marion termine 2023 en se glissant dans la peau de la mère de la réalisatrice Mona Achache (qui s'est donnée la mort en 2016) dans le docu-fiction Little Girl Blue.