Filha do ator, escritor e diretor Jean-Claude Cotillard e da atriz e professora de teatro Niseema Theillaud, Marion Cotillard nasceu em Paris, na França, em setembro de 1975. Cresceu em Orléans e fez sua estreia com atriz ainda criança, em uma peça escrita pelo pai. Estudou drama no Conservatório de Artes Dramáticas de Orléans e, aos 19 anos, estreou no cinema com "L'Histoire du Garçon qui Voulait qu'on l'Embrasse" (1994).

Seu primeiro papel de destaque veio quatro anos depois com "Táxi - Velocidade nas Ruas" (1998), que rendeu duas continuações estreladas pela atriz. Em 2003, ganha uma chance em Hollywood, atuando ao lado de Ewan McGregor, Albert Finney e Billy Crudup em "Peixe Grande E Suas Histórias Maravilhosas", de Tim Burton. Mas não deixou o cinema francês de lado e no ano seguinte já trabalhava com Jean-Pierre Jeunet em "Eterno Amor".

Em 2006, chama a atenção de Ridley Scott, que a convoca para ser o par romântico de Russell Crowe em "Um Bom Ano". Mas o principal trabalho viria no ano seguinte. Em "Piaf - Um Hino ao Amor", Cotillard interpreta um dos maiores nomes da música francesa, Edith Piaf. O papel lhe rendeu um Oscar de Melhor Atriz e a chance de personagens mais importantes nas produções norte-americanas.

Foi dirigida por nomes significativos como Michael Mann ("Inimigos Públicos"), Rob Marshall ("Nine") e Christopher Nolan ("A Origem" e "Batman - O Cavaleiro das Trevas Ressurge"), isso sem falar em Woody Allen ("Meia Noite em Paris"). A atriz, por sinal, teria aceitado um salário de apenas US$ 13 mil para trabalhar com Woody, o que é bem menos que os US$ 800 mil que pediu para fazer "Contágio", de Steven Soderbergh.

Integrante do Greenpeace, a atriz nunca parou de trabalhar na França, tendo realizado "Até a Realidade", de Guillaume Canet, e "De rouille et d'os", de Jacques Audiard.