Figlia dell'attore italiano Marcello Mastroianni e dell'attrice francese Catherine Deneuve, crebbe a Parigi nell'ambiente artistico dei genitori ed esordì nel 1979 insieme a sua madre nel film "A noi due". Nel 1994 ottenne una nomination ai Premi César per la sua interpretazione in "Ma saison préférée", di André Téchiné. Nel 2004, esce l'album "Home" che ha composto con Benjamin Biolay. È stata membro della giuria al 73º Festival di Venezia.