Marion Cotillard nasce a Parigi il 30 Settembre 1975. Ha due fratelli minori gemelli, Guillaume e Quentin. La sua è una famiglia di attori e artisti e spesso quando c'era bisogno di un bambino da far recitare negli spettacoli che coinvolgevano i suoi genitori la scelta ricadeva sulla piccola Marion. Prosegue la strada già percorsa dai genitori e si iscrive alla scuola di recitazione del Conservatoire d'Orléans, vincendo il primo premio del suo corso. In seguito lavora soprattutto in televisione con Denis Berry, Bremard Dubois e Yves Amoreux.

L'esordio e Tim Burton
Marion inizia la sua carriera cinematografica nel 1993 con L'histoire du garçon qui voulait qu'on l'embrass di Philippe Harel per poi proseguire nel 1995 con Il pianeta verde di Coline Serreau nel ruolo di Macha. Si presenta ventitreenne nel 1998 al casting per Taxxi, piuttosto sfiduciata per l'andamento della sua carriera e decisa, in caso di insuccesso, a pensare di fare altro nella sua vita. Sarà l'interessamento del produttore Luc Besson a far ricadere su di lei la scelta. Arriveranno in seguito anche le parti in Taxxi 2 e Taxxi 3, sempre nel ruolo di Lily. A partire dalla metà degli anni Novanta inizia il suo impegno ecologista che la porterà a diventare sostenitrice e testimonial di alcune delle più importanti campagne di Greenpeace.
Nel 2003 incontra per la prima volta un regista di culto: interpreta la piccola parte di Josephine in Big Fish di Tim Burton. L'anno successivo prende parte al film drammatico Una lunga domenica di passioni accanto a Audrey Tautou e Gaspard Ulliel, pellicola con cui vince il premio Cèsar come migliore attrice grazie all'interpretazione di Tina Lombardi. L'anno successivo è nel cast di Mary, di un cattivo maestro come Abel Ferrara insieme ad attori del calibro di Juliette Binoche e Forest Whitaker. Anche Hollywood inizia ad apprezzare la freschezza di questa attrice che porta una ventata di aria nuova da un paese che sembrava essersi cinematograficamente fermato.

Una "Vie en rose" di successi e film d'autore
Il 2006 è un anno d'oro per lei: è la protagonista femminile di Un'ottima annata di Ridley Scott, pellicola in cui interpreta il ruolo di Fanny Chenal, la locandiera francese che fa innamorare Russell Crowe. Ma soprattutto interpreta la mitica cantante Edith Piaf ne La vie en rose per la regia di Olivier Dahan, ruolo perfetto per lei che sognava di fare la cantante. La Cotillard offre un ritratto intenso e partecipe dell'artista francese maledetta, un'interpretazione di un naturalismo sconvolgente che non perde la sua tensione neanche nelle scene di canto (ovviamente eseguite in playback). L'interpretazione della Cotillard riesce a trascinare giù fin nel gorgo di alcool e droga che aveva avvolto Edith Piaf con un coinvolgimento che porterebbe a scomodare paragoni con interpretazioni che in passato hanno fatto la storia del cinema.
Nel 2009 Marion compare nel film di Rob Marshall Nine: originariamente creato per il teatro, il musical Nine (vincitore del Tony Award) è un adattamento di 8 ½ di Federico Fellini e alla Cotillard tocca il ruolo di Luisa, la moglie di Guido, un regista cinematografico che deve trovare un equilibrio nelle relazioni con le tante donne della sua vita, compresa sua moglie, l'amante, la musa, l'agente e sua madre. Dello stesso anno è la sua intrusione in Nemico Pubblico - Public Enemies (2009) di Michael Mann, dove recita al fianco di Johnny Depp e Christian Bale. Per Christopher Nolan compare nel cast di Inception (2010), un contemporaneo action-thriller fantascientifico ambientato all'interno delle architetture della mente, dove veste i panni della moglie suicida (ma ancora molto viva nei ricordi del protagonista) di Leonardo DiCaprio. L'anno successivo la vede protagonista di ben tre film: parte con Woody Allen e il suo film ambientato a Parigi Midnight in Paris, per poi proseguire, diretta dal compagno Guillame Canet, in Piccole bugie tra amici, e per finire con il thriller fantascientifico di Steven Soderbergh Contagion. Nel 2012 è nuovamente chiamata da Nolan per partecipare al capitolo conclusivo di Batman, Il cavaliere oscuro - Il ritorno, e da Audiard per il film drammatico Un sapore di ruggine e ossa. Tornerà al cinema diretta da Nolan per Il cavaliere oscuro - Il ritorno (2012) e dal compagno Guillaume Canet in Blood Ties.Nel 2013 è protagonista del film di James Gray C'era una volta a New York e successivamente recita nel film di Jean-Pierre e Luc Dardenne, Due giorni, una notte. Nel 2015 recita con Michael Fassbender nella celebre tragedia shakespeariana Macbeth, diretta da Justin Kurzel, oltre a doppiare il film d'animazione Il piccolo principe di Mark Osborne.
Tornerà a lavorare con Kurzel nel film Assassin's Creed, ma prima sarà a Cannes nel 2016 con due film in concorso, Mal de pierres di Nicole Garcia, e It's Only the End of the World di Xavier Dolan. Lo stesso anno la vedremo al fianco di Brad Pitt nel film di Robert Zemeckis Allied - Un'ombra nascosta.
Diretta poi da Desplechin ne I fantasmi d'Ismael e dal compagno Guillaume Canet in Piccole bugie tra amici, nel 2021 recita accanto ad Adam Driver nel film di Leos Carax Annette. Sarà poi protagonista del film di Arnaud Desplechin Fratello e sorella.