Léa Seydoux est la petite-fille du co-président de la firme Pathé Jérôme Seydoux et la petite-nièce du patron de la Gaumont Nicolas Seydoux.

Elle se lance dans l'art dramatique au cours Les Enfants terribles (2004-2005) et suit des stages et ateliers autour de la méthode Stanislavski et de Raymond Aquaviva (2005-2006).

Elle débute dans le clip « Ne partons pas fâchés » de Raphaël (2005) et dans la comédie ado parisienne MES COPINES (Sylvie Ayme, 2006).

Jean-Pierre Mocky (13 FRENCH STREET, 2007), Catherine Breillat (UNE VIEILLE MAÎTRESSE, 2007) et Bertrand Bonello (DE LA GUERRE, 2008) lui offrent des petits et seconds rôles.

Christophe Honoré la révèle en Princesse de Clèves moderne (LA BELLE PERSONNE, 2008) face à Louis Garrel qui la filme dans son court métrage PETIT TAILLEUR (2010).

Prisée des jeunes cinéastes, elle est l'héroïne libertaire de PLEIN SUD (Sébastien Lifshitz, 2009) et l'ado rebelle de BELLE ÉPINE (Rebecca Zlotowski, 2010).

Les ombres l'aspirent en étudiante du thriller SANS LAISSER DE TRACES (Grégoire Vigneron, 2010) et en fille fatale du ROMAN DE MA FEMME (Jamshed Usmonov, 2011).

Les réalisateurs étrangers lui font traverser l'Europe et les époques dans LOURDES (Jessica Hausner, 2009), MYSTÈRES DE LISBONNE (Raoul Ruiz, 2010), ROSES À CRÉDIT (Amos Gitaï, 2010) et L'ENFANT D'EN HAUT (Ursula Meier, 2012).

Dans les petits papiers des agents anglophones, elle enchaîne avec succès INGLOURIOUS BASTERDS (Quentin Tarantino, 2009), ROBIN DES BOIS (Ridley Scott, 2010), MINUIT À PARIS (Woody Allen, 2011) et MISSION IMPOSSIBLE 4 (Brad Bird, 2011).

Benoît Jacquot en fait la lectrice dévouée à Marie-Antoinette dans le compte à rebours haletant LES ADIEUX À LA REINE (2012) face à Diane Kruger, et Abdellatif Kechiche Emma, l'amoureuse aux cheveux bleus de LA VIE D'ADÈLE (2013) avec Adèle Exarchopoulos.