D'abord comédienne de théâtre puis animatrice de télévision en Belgique, Virginie Efira vient travailler en France, où elle présente des émissions de télé-réalité comme de divertissement, dont La Nouvelle Star en prime time. Elle quitte la télévision en 2008 pour se consacrer au métier de comédienne, qu'elle aborde par le doublage : pour le film d'animation Robots, puis pour Garfield et Garfield 2, dans lesquels elle est la voix française de Jennifer Love Hewitt. Virginie Efira garde un certain attachement pour le doublage puisqu'elle participe également à Max & Co en 2008.

La télévision lui permet également de faire ses armes avec un premier téléfilm Un amour de fantôme (2006), l'histoire d'un mannequin qui achète une maison à la campagne qui s'avère hantée par le fantôme d'un chanteur des années 70. L'année suivante, la jeune actrice se lance dans Off Prime, une série télé qui présente "la vie presque réelle de Virginie Efira". Après deux saisons, la série principalement scénarisée par Simon Astier s'arrête, faute d'audiences satisfaisantes pour la chaîne.

Elle apparaît enfin dans un long métrage pour un petit rôle en 2010 dans Les Barons, réalisé par Nabil Ben Yadir, puis joue avec son image de "bimbo" pour interpréter une cruche pas si stupide dans la comédie Le Siffleur avec François Berléand et Thierry Lhermitte. Elle figure ensuite en tête d'affiche de deux comédies sentimentales : L'Amour c'est mieux à deux, qui la montre déconcertée par un Clovis Cornillac qui ne croit qu'au grand amour, puis dans La Chance de ma vie, où elle vit des amours contrariés avec François-Xavier Demaison.

Après avoir joué au théâtre une adaptation de Nathalie... d'Anne Fontaine, elle retrouve l'univers de la cinéaste avec Mon pire cauchemar (2011), aux côtés de Benoît Poelvoorde et Isabelle Huppert. Elle fait ensuite une apparition dans son propre rôle dans Hénaut Président de Michel Muller avant d'interpréter la sœur d'Alice Taglioni dans Cookie de Léa Fazer. La comédienne est à l'aise dans la comédie et le montre une nouvelle fois avec 20 ans d'écart (2013), où elle campe une femme ambitieuse qui séduit le jeune Pierre Niney.

Toujours en 2013 - année durant laquelle l'actrice est très présente sur les écrans -, Virginie Efira double l'un des personnages principaux de Hôtel Transylvanie et côtoie plusieurs monstres du cinéma : François Berléand (Dead Man Talking), Gérard Depardieu (Les Invincibles) et enfin François Cluzet (En Solitaire).

Il faut attendre 2015 pour revoir Virginie Efira au cinéma. Dans la comédie romantique Caprice de et avec Emmanuel Mouret, elle interprète une actrice de théâtre faisant tourner la tête du facétieux réalisateur. Toujours dans le registre de la comédie, Virginie donne la réplique à son compatriote Benoït Poelvoorde dans Une Famille à louer où elle joue une jeune femme "prêtant" sa famille afin d'éponger ses dettes.

Après les comédies romantiques Le goût des merveilles et Un homme à la hauteur avec Jean Dujardin, la comédienne tourne sous la direction de Paul Verhoeven dans Elle, aux côtés d'Isabelle Huppert. Très sollicitée, Virginie s'illustre ensuite dans Victoria. Elle y incarne une avocate pénaliste en plein néant sentimental. Ce rôle lui vaut en 2017 sa première nomination au César de la meilleure actrice. 

Après un petit tour par la case TV dans la saison 2 de Dix Pour Cent, Virginie Efira brille dans le drame Un Amour impossible, adapté du roman de Christine Angot. Elle y campe Rachel, une mère célibataire qui va se battre pour élever sa fille. L'artiste triomphe ensuite dans un des grands succès de l'année 2018, Le Grand bain, dans lequel elle entraîne une bande de bras cassés à la natation synchronisée. Ces deux longs-métrages lui valent respectivement une nomination au César de la meilleure actrice et du meilleur second rôle féminin, montrant l'étendue de sa palette de jeu et sa versatilité.

L'année suivante, l'actrice monte les marches du Festival de Cannes aux côtés d'Adèle Exarchopoulos avec Sybil, qui lui permet de retrouver Justine Triet. Elle y joue une romancière reconvertie en psychanalyste. Après avoir porté l'uniforme avec Omar Sy dans Police, elle tourne sous la direction d'Albert Dupontel – auquel elle donne aussi la réplique – dans le burlesque et lyrique Adieu les cons. Elle y campe Suze Trappet, une femme condamnée par la maladie qui décide de partir à la recherche de l'enfant qu'elle a abandonné quand elle avait 15 ans. Grand lauréat des César avec 7 prix, le film vaut à l'actrice une nouvelle nomination dans la catégorie "meilleure actrice". 

En 2021, elle est à l'affiche de trois films : le thriller intimiste Lui de et avec Guillaume Canet, le troublant Madeleine Collins, où elle mène une double vie, et le sulfureux et très attendu Benedetta de Paul Verhoeven. Elle y joue le rôle-titre, celui d'une nonne qui, à la fin du XVème siècle, sème le désordre dans un couvent. Alors que la peste fait rage, Benedetta Carlini affirme avoir des visions de Jésus et s'abandonne à une liaison charnelle avec une novice. Une prestation audacieuse qui est encore saluée par une nomination aux César.

Toujours aussi sollicitée, Virginie Efira parvient à faire mieux en 2022 avec quatre longs-métrages à l'affiche. Si l'adaptation du roman En Attendant Bojangles et la comédie musicale Don Juan passent relativement inaperçus, ses deux autres films, Les Enfants des autres et Revoir Paris, emballent la critique. Le premier, signé Rebecca Zlotowski, dresse le portrait bienveillant d'une femme amoureuse qui tente de trouver sa place dans une famille en tant que belle-mère. Le second suit une survivante d'un attentat qui tente de se recontruire après son traumatisme. Ce drame d'Alice Winocour inspiré des événements du Bataclan lui offre enfin, pour sa cinquième nomination, le César de la meilleure actrice.