Córka Cathrine Deneuve i Marcella Mastroianni'ego.
Po raz pierwszy pojawiła się na ekranie u boku ojca w filmie Nikty Mihałkowa ,,Oci Ciornie". W wieku 17 lat decyduje, że chce zostać aktorką i debiutuje w filmie ,,Moja ulubiona pora roku" André Techiné, za który zostaje nominowana do Cesara w kategorii najbardziej obiecujący debiut. Następnie kręci filmy z kilkoma młodymi reżyserami jak Xavier Beauvoir (,,Pamiętaj, że umrzesz", 1995), Armaud Desplechin (,,Comment je me suis disputé... (ma vie sexuelle)", 1996) czy też Leaticią Masson (,,A vendre", 1998) i staje się jedną z twarzy nowego kina autorskiego. Bardzo eklektyczna, w 2000 roku gra w thrillerze ,,Six-Pack" Alaina Berberien i w 2002 w obrazie ,,Carnages", debiucie reżyserskim Delphine Gleize. W tym samym roku, występuje w ,,, Il est plus facile pour un chameau... " w reżyserii Valerii Bruni-Tedeschi.

Jej międzynarodowy wybór fimów pozwolił jej na realizację filmów m.in. z chilijczykiem Raoulem Ruizem (,,Trois vies et une seule mort", ,,Czas odnaleziony", 1999), z portugalczykiem Manoelem de Oliveirą, u którego w 1999 zagrała główną rolę w filmie "La lettre", oraz z Włoszką Francescą Comencini (Zeno le parole di mio padre, 2001).