Léa Seydoux naît le 1er juillet 1985 à Paris. Elle est la petite-fille de Jérôme Seydoux, patron de Pathé et la petite-nièce de Nicolas Seydoux, PDG de Gaumont. Une fois son bac en poche, Léa Seydoux prend des cours de théâtre. En 2006, elle décroche son premier rôle au cinéma dans le teen movie Mes copines. Elle enchaîne ensuite les rôles pour des metteurs en scène aux univers bien différents, qu'il s'agisse de Bertrand Bonello (De la guerre), Christophe Honoré (La belle personne) ou encore Catherine Breillat (Une vieille maîtresse). Cet attachement à l'univers de la Nouvelle Vague, elle le témoigne d'ailleurs en participant au moyen-métrage Petit Tailleur de Louis Garrel.

Elle traîne également sa beauté un rien diaphane dans des « petits » films comme Plein Sud, Lourdes ou Belle Epine mais aussi dans de grosses productions américaines telles que Robin des bois de Ridley Scott, Inglorious Basterds de Quentin Tarantino et, dernièrement, Mission Impossible : Protocole fantôme de Brad Bird, tout en ayant le privilège d'être dirigée par Woody Allen dans Minuit à Paris. En 2012, elle incarne Sidonie dans Les adieux à la reine de Benoît Jacquot, un autre film en costumes après Mystères de Lisbonne de Raoul Ruiz.