Művészcsaládba született: apja rendező és drámaíró, anyja drámapedagógus, egyik öccse forgatókönyvíró-rendező, a másik szobrász. Kisgyermekként lépett először színpadra apja egyik darabjában. Még tizenéves volt, amikor 1992-ben jelentősebb szerepet kapott a Hegylakó című francia-kanadai tévésorozatban, majd 1996-ban elkezdődött filmes pályafutása is. Első díját huszonkét évesen, egy rövidfilmben nyújtott alakításáért kapta.

A nagyközönség számára Luc Besson Taxi című népszerű akció-vígjáték sorozatában vált igazán ismertté. Az 1998-ban elkészült első rész után a legígéretesebb fiatal színésznőnek járó César-díjra (az Oscar-díj francia megfelelője) jelölték, két évvel később a Búcsúdal című filmdráma kettős főszerepéért jelölték újra. A Szeress, ha mersz! című, nemzetközi sikert aratott romantikus alkotás tette külföldön is ismertté nevét, ezután kapta első felkérését Hollywoodból, Tim Burton a Nagy hal című filmdráma főszerepét bízta rá. Ezt a Bor, mámor, Provence című vígjáték követte, majd 2004-ben a Hosszú jegyesség című francia film legjobb mellékszereplőjeként elnyerte első César-díját.

A színésznő eddigi legnagyobb sikerét a Piaf című életrajzi drámában aratta, a 2007. évi bemutatón a Berlinale közönsége 15 perces álló tapssal köszöntötte az alkotókat. A rendező választása azért esett rá, mert a szeme hasonlít a francia sanzon felejthetetlen csillagára, de az is szempont volt, hogy kiválóan énekel (a dalok többsége azért Piaf hangján csendült fel). Alakításáért - nem angol nyelvű alkotásban Sophia Loren után másodikként - megkapta a legjobb női főszereplőnek járó Oscar-díjat is. Ezzel Simone Signoret és Juliette Binoche után a harmadik Oscar-díjas francia színésznő lett. Emellett átvehette a brit filmakadémia Bafta-díját, a hollywoodi filmkritikusok Arany Glóbusz-díját, hazájában pedig a César-díjat.

Immár világsztárként hívták meg az amerikai filmakadémia elektori testületébe, s olyan hollywoodi produkciókban láthatta a közönség, mint a Közellenségek című, a harmincas években játszódó gengsztertörténet és a Kilenc című musical. Christopher Nolan rendező előbb az Eredet című filmben Leonardo DiCaprio oldalán, majd A sötét lovag: Felemelkedés című Batman-filmben osztott rá szerepet. Emlékezetes alakítást nyújtott az Éjfélkor Párizsban című Woody Allen-filmben, 2012-ben a Rozsda és csont című alkotásban egy delfinidomárt játszott, aki egy balesetben mindkét lábát elvesztette. A szerep kedvéért Cotillard napokig gyakorolta a láb nélküli úszást, és megtanult bottal járni, hogy hitelesen jelenítsen meg egy fogyatékkal élő embert.

A 2013-ban bemutatott A bevándorló című filmje a múlt század elején Amerikába irányuló kelet-európai bevándorlásnak állít emléket. Ebben egy lengyel asszonyt alakít, és a hiteles alakítás érdekében rengeteg lengyel szöveget tanult meg, amiből bevallása szerint szinte semmit sem értett. 2014 decemberében Európai Filmdíjat kapott a legjobb színésznő kategóriában a Két nap, egy éjszaka című filmjéért, ragyogó alakítása miatt - egy depressziós külvárosi munkásnőt játszott - Oscar-díjra is jelölték. Legújabb, 2015 októberében bemutatandó filmjében Lady Macbeth bőrébe bújik, A kis herceg című animációs filmben pedig a Rózsának kölcsönzi majd a hangját.

Marion Cotillard 2010-ben - férfi kollégáit is megelőzve - Franciaország legjobban fizetett színművésze lett, a ranglistát személyében kilenc év után vezette ismét nő, és a legjobban fizetett hollywoodi sztárok között is ott találjuk a nevét. 2010-ben megkapta az irodalom és művészet rendjének lovagja francia kitüntetést, azaz dáma lett.

A színésznőnek 2011-ben fia született, aki a Marcel nevet kapta, tisztelgésül Edith Piaf nagy szerelme, Marcel Cerdan világbajnok ökölvívó emléke előtt. Cotillard környezetvédő aktivista, a Greenpeace mozgalom szóvivője. 2008 óta ő a Dior divatház arca, a táskareklámok rendszeres szereplője. Lelkes rajongója Janis Joplin, a Rolling Stones, a Beatles, Otis Redding, a Radiohead, Elvis Presley és David Bowie dalainak (az utóbbi egyik klipjében szerepelt is). Több hangszeren játszik, dalokat is ír. Nagy tisztelője Greta Garbo, Romy Schneider, Juliette Binoche, Peter Sellers, Charles Chaplin és Sir Laurence Olivier művészetének, az idén egy Larry King Showban úgy nyilatkozott, hogy szívesen dolgozna együtt a háromszoros Oscar-díjas Meryl Streeppel.