2006 begann Seydoux mit der Schauspielerei. Für ihre Rolle in Christophe Honorés Spielfilm "Das schöne Mädchen" war sie 2009 für einen César nominiert. Eine weitere César-Nominierung erhielt sie 2011 für die weibliche Hauptrolle in Rebecca Zlotowskis Drama "Belle Épine". In Benoît Jacquots Historiendrama "Leb wohl, meine Königin!", das 2012 den Wettbewerb der Berlinale eröffnete, spielte sie eine weitere Hauptrolle.