Née à Montréal, Marie-Josée Croze est une adolescente réservée qui s'épanouit sur les planches avant d'enchaîner les rôles dans des séries télévisées canadiennes. C'est dans un film de Gilles Carle, La Postière, que la comédienne fait sa première apparition sur grand écran en 1992.

En 1999, elle effectue un premier séjour en France, pour y tourner le moyen-métrage HLA identique, avant d'accéder à la reconnaissance un an plus tard avec Maelström de Denis Villeneuve, qui fait le tour des festivals et lui vaut le Genie - le "Cesar" canadien - de la meilleure actrice. Elle prend part en 2001 à Ararat, réalisé par l'un de ses plus fameux compatriotes, Atom Egoyan, et dans lequel elle campe avec justesse une jeune femme révoltée et avide de vérité. Mais c'est avec une autre oeuvre chorale, Les Invasions barbares de l'impertinent Denys Arcand que vient la consécration : l'actrice décroche, grâce à sa subtile prestation de junkie, tout en violence contenue, le Prix d'interprétation féminine à Cannes en 2003.

Le public français est sous le charme de la Québécoise, qui tourne alors avec des auteurs comme Laurence Ferreira Barbosa ou Jean-Pierre Denis (La Petite Chartreuse) et donne la réplique à Edouard Baer dans Mensonges et trahisons (2004). Désormais associée à des projets de grande envergure, elle est choisie par Spielberg pour incarner une espionne aussi redoutable que troublante dans Munich en 2006. Devenue une actrice de premier plan dans le cinéma français, elle hante Ne le dis à personne de Guillaume Canet et interprète la mère de Jacquou Le Croquant. Epouse délaissée par Albert Dupontel dans Deux jours à tuer, cette comédienne à la fois sensible et énergique se révèle aussi crédible en douce orthophoniste de Mathieu Amalric (Le Scaphandre et le papillon, 2007) qu'en altermondialiste exaltée (Le Nouveau protocole, 2008).

Un autre rôle de femme affirmée lui est offert à l’occasion du nouveau film de Tony Gatlif, Liberté. Elle y campe le personnage de Mademoiselle Lundi, l’institutrice du village de Saint Amont, humaniste et fervente républicaine qui se bat pour la scolarisation d’enfants tsiganes. Tout en retenue, cette fois, elle joue les jeunes femmes insaisissables en 2009, émouvante en amante inoubliable dans Je l'aimais de Zabou Breitman (adapté du roman d’Anna Gavalda) et en mère révoltée dans Mères et filles de Julie Lopes-Curval.

En compagnie de Jean Dujardin dans Un balcon sur la mer, Nicole Garcia lui offre son rôle le plus ambigu, un personnage oscillant entre la froideur d’une Kim Novak et la fragilité d’une femme-enfant encore attachée à un passé marqué par la guerre d’Algérie. Cap sur l’Argentine ensuite avec le thriller Another Silence où la comédienne se glisse dans la peau d'une policière qui part à la recherche des assassins de sa famille. Elle poursuit dans la veine du thriller avec Collision (2013). L'année suivante, Marie-Josée Croze donne la réplique à Matthieu Kassovitz pour les besoins de l'étrange Un illustre inconnu.

A noter qu'après avoir vécu plus de dix ans dans l'Hexagone, la comédienne obtient la nationalité française en 2012 et bénéficie donc de la double nationalité canadienne et française. La jeune femme continue son chemin en travaillant pour des réalisateurs de contrées très différentes. On la voit ainsi en 2014 dans Calvary, drame policier britannique dans lequel elle prête ses traits au personnage de Teresa et donne la réplique à Brendan Gleeson et Kelly Reilly. Elle tourne également sous la direction de la marocaine Tala Hadid pour The Narrow frame of midnight, drame poignant se déroulant du Maroc à la Turquie en passant par le Kurdistan. 

Toujours dans une volonté de diversité, la Franco-canadienne ne manque pas de projets en 2015. L'actrice continue de jouer pour des réalisateurs très différents, connus ou inconnus comme le finlandais Mikko Kuparinen et son 2 Nights Till Morning. Le grand Wim Wenders fait également appel à ses talents pour partager l'affiche de son Every Thing Will Be Fine avec James Franco et Charlotte Gainsbourg. En juin 2015, le metteur en scène italien Roberto Ando l'emmène en balade entre l'Allemagne et l'Italie pour les besoins de son drame, Confessions. Elle est aussi à l'affiche de Au nom de ma fille, qui revient sur l'histoire vraie d'André Bamberski (Daniel Auteuil), père de famille ayant décidé - devant l'inefficacité des autorités - de résoudre lui-même le meurtre de sa fille.

En 2017, Marie-Josée goûte à un registre plus léger avec MILF, où elle campe l'une des trois amies se faisant courtiser, le temps de vacances, par trois jeunes hommes. Elle reste dans le registre comique avec À cause des filles..?, qui est l'un des plus gros flops de 2019, et Ma langue au chat de Cécile Telerman en 2023. Début 2024, elle renoue avec le thriller via Un coup de dés d'Yvan Attal. Parallèlement, on la voit dans les séries Jack Ryan, Mirage et Prométhée.