1976'da Beaumont'da doğdu ve Montluçon'da büyüdü. Babası Bernard Tautou dişçi, annesi Eveline ise öğretmendi. Oyunculukla küçük yaşlarda haşır neşir olan Tautou, Paris'te Cours Florent'da oyunculuk eğitimi aldı. 1999'da ilk sinema filmi olan Vénus beauté (institut)'de oynadı. Buradaki Marie rolüyle çok büyük başarı elde eden Tautou, Çıkış Yapan Kadın Aktris dalında César ödülü kazandı. Ama asıl çıkışını 2 yıl sonra Jean-Pierre Jeunet'nin Amélie filmiyle gerçekleştirdi. Etrafındaki herkesin hayatına bir şekilde dokunabilmeyi başarmış genç Parisli Amélie Poulain karakteriyle Fransız Sineması'nın en çok tanınan rollerinden birini canlandırdı ve tüm dünyada şöhret kazandı.
Amélie'nin ardından erotomani hastası Angélique rolünde oynadığı Seviyor Sevmiyor (À la folie... pas du tout) ve İngiltere'de hayatta kalmaya çalışan Şenay adında Türk bir göçmen kadını canlandırdığı Dirty Pretty Things filmlerinde başrolde oynadı. 2004'te bir diğer Jeunet filmi Kayıp Nişanlı'da (Un long dimanche de fiançailles) yine başrolde oynadı ve savaşta kaybolan nişanlısının peşine düşmüş Mathilde rolüyle yine takdir kazandı. Amélie'nin ardından 2. kez En İyi Kadın Oyuncu dalında César adayı oldu. 2006'da bu kez büyük bir uluslararası yapımda, Dan Brown'ın romanından uyarlanmış Da Vinci Şifresi'nde başrolü Tom Hanks'le paylaştı ve Sophie Neveu'yü canlandırdı. 2009'da ünlü Fransız modacı Coco Chanel'i canlandırdığı Coco Chanel'den Önce (Coco avant Chanel) filmi gösterime girdi. Arkasından Bir Kadının Gözyaşı, Günlerin Köpüğü, Gece Seansı ve Sonsuzluk gibi yapımlarda oynamaya, Fransız Sineması'nın en değerli aktrisleri arasında kalmaya devam etti.