Pas du tout prédestinée à épouser une carrière d'actrice, Hafsia herzi a cependant toujours adoré ce métier. A l'âge de 13 ans, elle obtient un rôle mineur dans Notes sur le rire un téléfilm de France 3. Tentée par une carrière à la télévision, elle passe des auditions pour Plus belle la vie et Sous le soleil, sans succès.

En 2005, tout va s'accélérer. Elle est retenue par Abdellatif Kechiche pour jouer dans La graine et le mulet. Sorti en 2007, le film lui vaut le prix Marcello-Mastroianni à la Mostra de Venise, puis dans la foulée le César du meilleur espoir féminin. Pour ce rôle très physique, la jeune actrice prend 15 kg. Elle déclare à ce sujet sur le site Evene :
« C'était dur : pour mon premier film j'étais obligée de prendre du poids, je l'ai fait parce que j'avais quelqu'un en face de moi qui avait 100% confiance en moi. Je devais me changer physiquement et danser. J'avais vraiment peur de cette scène. Je savais que c'était une scène importante et je l'avais tellement travaillée qu'il fallait que j'assure. C'était très dur physiquement mais bizarrement je tenais à chaque fois plus de 45 minutes. Même des professionnels de la danse me le disaient, c'est un truc de fou car une danseuse ça danse une heure maximum. Mais j'étais portée par l'énergie et par le personnage. Après le tournage j'ai dormi une semaine. »

Son emploi du temps se rempli, et la jeune actrice décide de quitter sa famille du sud de la France pour s'installer à Paris. Après ce succès soudain, Hafsia Herzi décide de reprendre ses études. A l'université d'abord pour y étudier le droit et au Conservatoire pour le théâtre. Elle décide finalement de se consacrer uniquement au cinéma. Elle tourne dans Française, de Souad El-Bouhati et l'Aube du monde d'Abbas Fahdel.
En 2008 elle joue dans le film de Francis Huster Un Homme et son chien avec Jean-Paul Belmondo et en 2009 dans Le roi de l'évasion d'Alain Giraudie. En 2010, elle prête sa voix à l'adaptation des BD de Joan Sfar, Le Chat du Rabbin.