Elève du Conservatoire de Nîmes et du Cours Florent, Alexandra Lamy débute sa carrière de comédienne par le théâtre. Elle travaille entre autres sous la direction de Jean-Luc Moreau (Ciel ma mère et Le Portefeuille), et de Michel Galabru (La Poule aux œufs d'or), et interprète également les classiques du répertoire. Mais c'est la télévision qui lui apporte la notoriété : son rôle d'Alex, alias Chouchou, dans la série à succès Un gars, une fille, la révèle au grand public. Durant plus de 400 épisodes, elle et Jean Dujardin explorent de façon humoristique le quotidien d'un couple.

À l'assaut du Septième Art, la belle incarne une pin-up dans le court métrage A l'abri des regards indiscrets (2002), puis côtoie à deux reprises Bruno Solo dans Rien que du bonheur (id.) et Livraison à domicile (id.). Mais c'est aux côtés de son compagnon d'alors et partenaire de ses débuts, Jean Dujardin, qu'elle connaît son premier succès au cinéma avec Brice de Nice (2005). Figurant au casting de L'Antidote et de Vive la vie, elle se retrouve également en tête d'affiche de la comédie romantique Au suivant !. Un genre qu'elle affectionne, comme le prouvent ses prestations dans les très légers On va s'aimer (2006), Cherche fiancé tous frais payés (2007) et Modern Love (2008). Contre toute attente, Alexandra Lamy tourne en 2008 sous la direction de François Ozon et devient par la même occasion la mère du petit Ricky, un enfant aux pouvoirs extraordinaires.

Elle apparaît ensuite sous les traits de Belle dans Lucky Luke, occasion pour elle et Jean Dujardin d'afficher une fois de plus leur complicité à l'écran, collaboration qu'ils réitèrent en 2012, dans le film à sketches sur le thème de l'infidélité, intitulé à juste titre Les Infidèles. Même si les choix professionnels de l'actrice allient souvent carrière et vie privée, elle participe également à des projets de son côté, sous la houlette de Sandrine Bonnaire (J'enrage de son absence), d'Eric Guirado (Possessions), et d'Etienne Chatiliez (L'Oncle Charles, avec Eddy Mitchell).

Si elle privilégie la comédie légère, à l'image de Jamais le premier soir (2014), Alexandra Lamy s'essaie aussi à d'autres registres, comme avec le drame historique Nos patriotes (2017), le drame Par instinct (id.) - où elle campe une avocate cherchant à protéger un enfant et sa mère dans les rues de Tanger -, et la comédie politique Le Poulain.

Devenue un visage incontournable de la comédie française, elle tourne avec (Bis, Le Sens de la famille) et sous la direction de Franck Dubosc (Tout le monde debout), développe une collaboration fructueuse avec le réalisateur Eric Lavaine (L'Embarras du choix, Retour chez ma mère, Chamboultout), et est la tête d'affiche de Belle-fille et du Test (2021).

Après avoir participé à la première saison de l'émission LOL : Qui rit, sort ! sur Prime Video, elle coprésente la saison suivante avec Philippe Lacheau en 2022. Toujours sur la plateforme de streaming, elle est au générique de la série policière déjantée Killer Coaster, où elle travaille en famille puisqu'elle y donne la réplique à sa sœur Audrey Lamy et sa fille Chloé Jouannet.

Toujours attachée à la comédie (Alibi.com 2), Alexandra Lamy continue d'explorer d'autres genres et s'illustre en mère courage tour à tour dans le drame délicat La Chambre des merveilles (2023) et l'engagé thriller écolo La Promesse verte (2024). Après avoir traversé le désert dans le film d'aventure familial Zodi et Téhu, frères du désert, l'actrice tient le rôle-titre de Louise Violet, sur une institutrice envoyée dans un village à la fin du XIXe siècle pour instaurer l’école républicaine gratuite, laïque et obligatoire.