Ihr Filmdebüt als Regisseurin wurde 2003 der Kurzfilm "Après mûre réflexion", der 2004 erschien. Es folgte der Langfilm "Tout est pardonné", der auf den Internationalen Filmfestspielen von Cannes seine Premiere hatte und zahlreiche Preise und Nominierungen erhielt, darunter eine Nominierung für die Caméra d’Or und den César als Bestes Erstlingswerk; Hansen-Løve gewann zudem den Louis-Delluc-Preis für das beste Filmdebüt. "Tout est pardonné" sollte ursprünglich von Humbert Balsan produziert werden, der sich jedoch 2005 das Leben nahm. Diese Erfahrung verarbeitete Hansen-Løve in ihrem nächsten Langfilm "Der Vater meiner Kinder" aus dem Jahr 2009, der sich um die letzten Tage im Leben des Filmproduzenten Grégoire Canvel dreht. Auch "Eine Jugendliebe", ihr nächster Film, war autobiografisch geprägt, während ihr Musikfilm "Eden", der die House-Szene in Paris ab Anfang der 1990er-Jahre thematisiert, auf Erfahrungen ihres Bruders Sven Hansen-Løve beruhte; er verfasste gemeinsam mit ihr das Drehbuch. „Das Erlebte ist […] der Ausgangspunkt, um in der Freiheit der Fiktion anzukommen“, konstatierte Hansen-Løve hinsichtlicher biografischer Tendenzen in ihren Filmen.