Marion Cotillard se distingue à la fin des années 1990 en rejetant notamment un contrat publicitaire avec la marque de cosmétiques L'Oréal, en protestation contre les tests que l'entreprise réalise sur des animaux. Militante écologiste de l'organisation Greenpeace depuis 2001, elle use également de sa notoriété pour sensibiliser à la préservation de l'environnement en prenant part à de nombreuses manifestations et marches pacifiques. En 2007, elle officie comme marraine du navire Costa Serena, de la compagnie de croisière impliquée dans le respect de l'environnement Costa Croisières, qu'elle inaugure en mai à Marseille. En 2009, elle participe à l'enregistrement de la chanson "Beds Are Burning", message lancé par Kofi Annan en faveur de l'écologie, afin de mobiliser la population en vue du sommet politique de Copenhague qui se déroule en décembre 2009. En 2009 et en 2014, elle participe également à la narration de deux documentaires sur des milieux naturels en danger, "Voyage sous les mers 3D" et "Terre des ours".