A 11 ans, Laure Marsac prend des cours de théâtre au centre américain de Paris. En 1984, elle est la fillette aux aguets dans le ferry boat de La Pirate de Jacques Doillon. Ce huis clos éprouvant, qui fait scandale à Cannes, lui vaut le César du Meilleur espoir en 1985. Fille de Bernard Giraudeau dans L'Homme voilé en 1987, elle se lance après le bac dans des études d'histoire de l'art, qu'elle abandonnera pour se consacrer à la comédie. En 1990, elle campe l'une des trois soeurs en deuil dans le très remarqué Tumultes de Bertrand van Effenterre.

Héroïne en 1992 de la comédie Un vampire au paradis, Laure Marsac fait l'année suivante une apparition dans... Entretien avec un vampire de Neil Jordan. Comédienne au parcours atypique, se partageant entre le cinéma, le petit écran et les planches (notamment avec Roger Planchon), elle joue les paumées dans le polar d'anticipation Taxi de nuit ou dans Hit me, premier film du réalisateur de La Secrétaire Steven Shainberg. On l'aperçoit dans La Reine Margot et Jefferson à Paris, elle travaille avec Eric Rohmer le temps d'un court métrage, tandis que Jacques Rivette lui confie deux rôles (des soeurs jumelles énigmatiques) dans Secret Défense (1997).

Vue dans la saga d'été Garonne mais aussi dans Scalp, décapante série sur le monde de la bourse (2007), Laure Marsac réalise en 2004 un court métrage avec Charlotte Gainsbourg, puis passe au long en 2006 avec un autoportrait aussi décalé et original que son titre, Le 4ème morceau de la femme coupée en 3. Devant la caméra, on la retrouve en 2008 en journaliste face à Mesrine (L'Ennemi public n°1)