Seydoux debuterade som skådespelare 2006 och nominerades till ett Césarpris år 2008 i kategorin Mest lovande kvinnliga skådespelare för sin roll i "La Belle personne". 2011 nominerades hon igen i samma kategori, denna gång för sin roll i " Belle Épine". 2009 fick hon Chopardtrofén vid Filmfestivalen i Cannes. Seydoux har även haft roller i internationella storfilmer som "Robin Hood" (2010), "" (2011), "Midnatt i Paris" (2011) och "Spectre" (2015). Vid Filmfestivalen i Cannes 2013 tilldelades hon Guldpalmen tillsammans med regissören Abdellatif Kechiche och medskådespelaren Adèle Exarchopoulos för filmen "Blå är den varmaste färgen". Det var första gången som guldpalmsjuryn valde att prisa inte bara regissören till en film utan även skådespelarna.