Moglie e musa di Paolo Virzì, per il regista livornese, l'attrice si è cimentata nella centralinista coatta in Tutta la vita davanti, nonché nella svampita mamma-Miss in La prima cosa bella, personaggio ispirato alla madre dell'autore di Ovosodo. Micaela Ramazzotti debutta tredicenne, nei veraci photoromance del teen weekly magazine "Cioè".

Tutta la carriera davanti
Nel 1999, esordisce sul grande schermo scoprendo il sesso per La prima volta, un film di Massimo Martella. In quel periodo, la fanciulla ottiene una particina in La via degli angeli di Pupi Avati e lascia il boyfriend, nella notte di capodanno delle Vacanze di Natale 2000. Alle soglie del Nuovo Millennio, ''l'immigrato rumeno'' Dracula affonda gli affilati canini sul suo collo in Zora la vampira. In quel periodo, la ragazza si invaghisce del cardiologo Attilio Fontana in Vento di primavera - Innamorarsi a Monopoli. Nel 2001, viene abbordata dai coniugi Alessandro Benvenuti/Elena Sofia Ricci nella Commedia Sexy di Claudio Bigagli, dove interpreta Giulia. Nel 2004, Micaela è spiata dall'occhio indiscreto di Max Pezzali nel videoclip "Il mondo insieme a te", brano tratto dall'omonimo album solista dell'ex leader degli 883.

Le prime cose belle
Durante la 63° edizione del Festival Internazionale di Venezia, l'attrice riceve il premio come attice rivelazione, "Wella Cinema Donna", per il film Non prendere impegni stasera, dove la sorprendiamo tra le lenzuola del fedifrago Luca Zingaretti alias Andrea che spirerà fra le sue braccia durante una gita in barca. Tra il 2007 e il 2008, la Ramazzotti si fa notare sulle reti Mediaset collaborando nel laboratorio di fisica in R.I.S. 3 - Delitti Imperfetti e specializzandosi in cardiochirurgia nel medical-action serial Crimini bianchi, ruoli questi che le regalano una discreta notorietà. Gira, inoltre, la miniserie biografica L'ultimo padrino, al fianco del boss mafioso Michele Placido. Nel frattempo, si guadagna una nomination ai David di Donatello, preparando una "svestitissima" colazione al piacevolmente stravolto Valerio Mastandrea in Tutta la vita davanti di Paolo Virzì; quest'ultimo e Micaela si conoscono e innamorano sul set di questo film e nel gennaio 2009 convolano a nozze a Livorno, città natale del regista. Nei dodici mesi successivi, questa promessa della celluloide made in Italy si accaparra il Ciak d'Oro nei panni di Rossana, consorte incinta del carrozziere Kim Rossi Stuart in Questione di Cuore di Francesca Archibugi. Eccola poi schiaffeggiare, nel camice di infermiera bigotta, la peccaminosa collega Ambra Angiolini in Ce n'è per tutti di Luciano Melchionna e scatenare irrefrenabili bollori ai bagnati livornesi, con la sua fascia di reginetta di seduzione nel secondo film girato sotto la regia di Paolo Virzì, La prima cosa bella. Ma il 2009 la vede anche insignita del Nastro d'Argento a Taormina come rivelazione dell'anno. Nel maggio 2008 l'attrice si è concessa alle patinate pagine maschili della rivista "Max", posando senza veli per un eccitante servizio fotografico e, nello stesso anno, partecipa al videoclip Il cielo ha una porta sola del cantautore Biagio Antonacci. Nel gennaio 2010, concepisce il frutto dell'unione con il regista Paolo Virzì. Nel 2011 è protagonista, insieme a Cesare Cremonini, del romantico film Il cuore grande delle ragazze, di Pupi Avati. L'anno successivo è diretta da Carlo Verdone nella commedia Posti in piedi in paradiso, nella quale recita al fianco dello stesso Verdone, di Pierfrancesco Favino e di Marco Giallini. Suo il ruolo della lunatica cardiologa con problemi sentimentali, che le vale il Nastro d'Argento 2012 come miglior attrice. Sarà poi protagonista nei panni della madre del regista Daniele Luchetti nel film parzialmente autobiografico Anni felici, seguito dal film dell'esordiente Sebastiano Riso Più buio di mezzanotte. Nel 2015 lavora per due registe donne: Francesca Archibugi, che la dirige in Il nome del figlio, e Giorgia Farina, che le regala il divertente ruolo da protagonista in Ho ucciso Napoleone. Sarà poi protagonista di una strampalata amicizia con Valeria Bruni Tedeschi nel nuovo film di Virzì La pazza gioia, racconto toccante della fuga di due donne disturbate da una comunità terapeutica per donne con disturbi mentali. Farà poi coppia con Paola Cortellesi nella commedia di Cristina Comencini Qualcosa di nuovo. Nel 2017 è la moglie di Elio Germano nel film di Gianni Amelio La tenerezza, tratto dal romanzo "La tentazione di essere felice" di Lorenzo Marone. L'anno successivo è invece una timida segretaria e ghostwriter che si trova invischiata in una storia più grande di lei in Una storia senza nome di Roberto Andò.
Nel 2019 è diretta da Francesca Archibugi in Vivere e l'anno successivo è tra i protagonisti di Gli anni più belli di Muccino e di Maledetta primavera di Elisa Amoruso. Nel 2021 è tra le protagoniste di 7 donne e un mistero di Alessandro Genovesi e nel 2022 è diretta da Michele Placido ne L'ombra di Caravaggio e da Elisa Amoruso e Julian Jarrold in The Good Mothers.
Esordisce alla regia con Felicità (2023), film presentato alla Mostra del Cinema di Venezia (Orizzonti Extra).