Pluripremiata attrice francese dalla bellezza sfarzosamente eterea e che ha avuto la fortuna di crescere artisticamente sotto l'ala di un regista assolutamente alla moda come François Ozon, che per primo l'ha consacrata icona di bellezza quando ce l'ha proposta sdraiata sul bordo di una piscina, abbronzantissima, con un bikini a strisce nere e bianche, simbolo di erotismo e di un desiderio che non conosce limiti, ma vuole solo avere, avere, avere.
Cresciuta in una famiglia di amanti dell'arte che l'hanno spinta a soli 5 anni verso un corso di recitazione teatrale, a 10 anni debutta nel film Voglio tornare a casa! (1989) di Alain Resnais, accanto a un monumento del cinema francese come Gérard Depardieu, che poi ritroverà l'anno successivo nella pellicola Cyrano di Bergerac (1990) di Jean-Paul Rappeneau. Comincia il suo lavoro anche come doppiatrice ed entra nel cast della serie tv francese La famille Fontaine (1992), dopo una lunga serie di film per la tv d'oltralpe, con i sodi guadagnati, già a 17 anni decide di andare a vivere da sola e prende in affitto un appartamento.
Quei capelli biondini, la statura minuta e i lineamenti squisitamente francesi, uniti a una mimica facciale veramente degna di lode l'aiutano a entrare nel cast di grandi produzioni internazionali come il biografico Rembrandt (1999) di Charles Matton con Klaus Maria Brandauer e Jean Rochefort, e I figli del secolo (1999) di Diane Kurys con Juliette Binoche, Benoît Magimel e Stefano Dionisi. Ma la vera consacrazione avviene quando, da giovane star francese, incontra e collabora con il regista François Ozon che fortemente la imporrà come sua musa per il bellissimo Gocce d'acqua su pietre roventi (1999), ispirato a una piece di Rainer Werner Fassbinder, e il musical-giallo Otto donne e un mistero (2002) dove cantando il pezzo rock "Papa t'es plus dans le coup" darà del filo da torcere alle altre sette protagoniste del film, fior fiore del cinema francese (Catherine Deneuve, Isabelle Huppert, Emmanuelle Béart, Fanny Ardant, Danielle Darrieux), vincendo l'Orso d'Argento (ad ex-aequo con tutte le altre) per l'interpretazione femminile.
Vincitrice del Trofeo Chopard come migliore rivelazione femminile del 2002, si afferma definitivamente con una terza collaborazione con Ozon: Swimming Pool (2003), accanto a Charlotte Rampling, nella strana storia di una scrittrice la cui quiete viene stravolta dall'arrivo di una ragazza spudorata e altamente erotica. Dopo aver girato la miniserie Napoleon (2002) di Yves Simoneau, la sua carriera avrà un piccolo blocco quando, operata per una peritonite, scoprirà di avere un tumore allo stomaco. Fortunatamente rimosso senza ulteriori complicazioni, la Sagnier torna a lavorare di fronte alle cineprese per interpretare la Nathalie di Piccoli tradimenti (2003) di Pascal Bonitzer, accanto a Daniel Auteuil e Kristin Scott Thomas, seguito dalla trasposizione del racconto di J.M. Barrie Peter Pan (2003) di Paul J. Hogan.
Due le regie con Claude Miller che la inserisce ne La petite Lili - La piccola Lili (2003), ispirato a "Il gabbiano" di Cechov, e Un secret (2007). E dopo il film Une aventure (2005) di Xavier Giannoli, diventa mamma di Bonnie, la sua prima figlia avuta dall'attore francese Nicolas Duvauchelle. Più tardi entra a far parte del cast di Nemico pubblico n. 1 e di Les Bien-aimés (2011) di Christophe Honoré mentre nel 2011 è tra i doppiatori del film d'animazione Un mostro a Parigi.
In seguito la vediamo in serie di successo come The Young Pope e Lupin, ma anche diretta da autori come Kore'eda (Le verità) e Ridley Scott (Napoleon).
