D'abord danseuse, Elodie Bouchez commence sa carrière cinématographique par des rôles sulfureux dans Stan the Flasher de Serge Gainsbourg et Le Cahier volé de Christine Lipinska, dans lequel elle joue son premier grand rôle.

En 1994, André Techiné la remarque dans Le Péril jeune et lui offre un des principaux rôles des Roseaux sauvages. Cette rencontre se révèle déterminante pour la carrière de la comédienne et lui vaut le César du meilleur Jeune Espoir Féminin en 1995. Actrice éclectique, Elodie Bouchez joue une muette dans Clubbed to Death (1996), de Graham Guit (qu'elle retrouve pour Les Kidnappeurs, en 1998), une junkie dans Le Ciel est à nous (1997) et participe à des productions plus indépendantes comme Louise (take 2) (1997). En 1998, elle partage avec Natacha Régnier l'affiche de La Vie rêvée des anges d'Erick Zonca. Son rôle lui vaut un prix d'interprétation féminine à Cannes.

En 1999, la jeune femme prend part à la "Trilogie de la liberté" de Jean-Marc Barr et enchaîne ainsi les tournages de Lovers (1999), du sulfureux Too Much Flesh (2000) et de Being light (2001). Parallèlement à sa carrière française, elle s’affiche dans des productions américaines telles que Shooting vegetarians (2000), CQ, premier film de Roman Coppola (2001) et America Brown (2003) et dans les séries Alias (saison 6) et The L World. L'actrice ne rechigne pas non plus à jouer dans des films plus grand public comme Le Petit Poucet ou Brice de Nice en 2005.

Absente des écrans durant près de deux ans, Elodie Bouchez revient au cinéma à partir de 2007 dans des films français aux genres distincts : du film choral (Ma place au soleil), au drame érotique (Happy Few) en passant par la comédie (Je déteste les enfants des autres, La Grande boucle, Seuls Two d'Eric et Ramzy). Elle retrouve d'ailleurs en 2016 Ramzy Bedia pour sa première réalisation en solo, l'atypique Hibou, et se glisse dans un autre univers décalé, celui de Quentin Dupieux pour Réalité.

Après avoir retrouvé pour la septième fois Romain Duris dont elle joue l'épouse dans le poisseux Fleuve noir, Elodie Bouchez s'offre des apparitions discrètes mais touchantes dans Gaspard va au mariage et Guy, faux documentaire sur une vieille gloire de la chanson française. 2018 lui offre également l'opportunité de briller au premier plan : dans la mini-série de Laetitia Masson, Aurore, où elle tente de se reconstruire après avoir commis un meurtre dans son enfance, et au cinéma dans le bouleversant Pupille qui plonge dans les coulisses du processus d'adoption d'un bébé.