É filha do poeta e cantor francês Serge Gainsbourg e da actriz Jane Birkin. Crescendo numa família ligada ao teatro e à música, fez o seu primeiro filme em 1984, Paroles et musique. Em 1986 ganhou o César de actriz mais promissora, pela sua participação no filme L'éffrontée e, em 2000, voltou a ganhá-lo, desta vez de melhor actriz secundária no filme La Bûche.
Para além da sua carreira como actriz, gravou dois álbuns e cantou a
canção-título de um dos seus filmes, e é representante da griffe de
roupas Gérard Darel.
Actualmente vive e trabalha em França, onde é casada com o actor e realizador Yvan Attal, pai dos seus dois filhos.
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