Plus que le cinéma, c'est le théâtre qui attire Armelle Deutsch à l'origine. A l'adolescence, elle intègre une troupe à Marseille, ville où elle demeure jusqu'à 18 ans. A sa majorité, elle monte à Paris pour suivre les cours Florent. De petits boulots en répétitions, sa première saison se révèle difficile. En 2000, elle décroche un rôle dans Le Placard de Francis Veber où elle incarne la secrétaire de Michele Laroque. Puis, elle joue dans une autre comédie, La Boîte, sous la direction de Claude Zidi.

Fin 2001, on la retrouve dans Sexy boys de Stéphane Kazandjian, un film délirant dans l'esprit d'American pie, sur les angoisses de la sexualité et du couple pour des jeunes gens d'une vingtaine d'années. Elle enchaine quelques seconds rôles dans des films à succès, notamment Laisse tes mains sur mes hanches de Chantal Lauby, et la comédie Tais-toi ! de Francis Veber. En 2004, elle est à l'affiche de Nos amis les flics, comédie décalée de Bob Swaim. C'est cette année qu'elle est l'inspectrice de police de la série Elodie Bradford, qui ne dura que 5 épisodes.

La suite de sa carrière est faite de comédies comme Le Carton ou Fracassés (2008), toutes deux avec Vincent Desagnat, et de nombreux téléfilms. Mais il s'agit toujours de comédies lorsqu'elle tourne Vive la vie (2005) interprété et réalisé par Didier Bourdon, ou La Différence, c'est que c'est pas pareil, avec François Berléand et Clémentine Célarié. Outre ses prestations au cinéma, Armelle Deutsch fait du théâtre, et ose sortir du registre dans lequel on tend à l'enfermer. C'est ainsi qu'elle participe (pour la première fois) à une super-production européenne, Henri 4, réalisé par Jo Baier. Dans ce film historique, elle incarne une vénéneuse Margot. Après La Chance de ma vie, une comédie sentimentale dans laquelle elle interprète l'amie de Virginie Efira, Armelle Deutsch est à l'affiche du polar R.I.F. (Recherche dans l'Intérêt des Familles), qui raconte l'histoire d'une jeune femme disparue dont le mari est accusé du crime.

Elle change de registre pour le téléfilm Chateaubriand (2010), et joue Lucille, la sœur préférée du célèbre romancier auquel Frédéric Diefenthal prête ses traits.