Anaïs Demoustier wurde 2003 von Michael Haneke für seinen Film "Wolfzeit" entdeckt. Nach den Dreharbeiten entschied sie sich endgültig für den Beruf der Schauspielerin und nahm Schauspielunterricht in Lille und New York. Ihre nächste Spielfilmrolle übernahm sie 2005 in Raphaël Jacoulots Film "Barrage". Die größten bisherigen Erfolge hatte sie mit den Filmen "Das schöne Mädchen" (2008) von Christophe Honoré und "Wir sind alle erwachsen" (2008) von Anne Novion. Für ihre Hauptrolle in "Wir sind alle erwachsen" wurde sie für einen César in der Kategorie Beste Nachwuchsdarstellerin nominiert. Bei den Internationalen Filmfestspielen Berlin 2010 wurde sie mit dem "Europäischen Shooting Star" ausgezeichnet. Für die weibliche Hauptrolle in Isabelle Czajkas Drama "D’amour et d’eau fraîche" (2010) erhielt sie 2011 erneut eine César-Nominierung als Beste Nachwuchsdarstellerin. Im selben Jahr gewann sie für ihre Leistung in "Belle épine" den Romy-Schneider-Preis. Für ihre Darstellung in "Alice et le maire" erhielt sie 2020 schließlich den César als Beste Hauptdarstellerin.