1975'te Paris'te doğan Cotillard, sanatçı bir ailenin ilk çocuğuydu. Babası Jean-Claude Cotillard ve annesi Niseema Theillaud sinema oyuncularıdır. Ayrıca kendinden küçük Quentin and Guillaume adlı ikiz erkek kardeşleri vardır. Oyunculuğa çok erken yaşta başlayan Cotillard, babasının oyunlarında sahneye çıkmaya başladı. Sinema kariyerine de küçük rollerle başladı, 1998 yapımı Taksi (Taxi) filmindeki Lilly Bertineau rolüyle ilk çıkışını yaptı. Cesar Ödülleri'nde Gelecek Vadeden Aktris ödülüne aday gösterildi. 2001 yılındaki Les Jolies Choses filmindeki Lucie rolüyle aynı ödüle bir kez daha aday gösterildi. Bu sırada Taksi serisinin 3 filminde de rol aldı.
2003 yılında görev yaptığı Cesaretin Var mı Aşka? (Jeux d'enfants) filminin başarısı, Marion Cotillard'ı da etkiledi. Sophie Kowalsky rolüyle çok sevilen oyuncu, ayrıca gelecekte evleneceği Guillaume Canet ile ilk kez birlikte çalıştı. 1 yıl sonra Jean-Pierre Jeunet'nin Kayıp Nişanlı filmindeki rolü sayesinde En İyi Yardımcı Kadın Oyuncu dalında Cesar Ödülü'nü kazandı. Sanatçı Edith Piaf'ın hayatını anlatan, 2007 yılı yapımı La Môme filmi ile En İyi Kadın Oyuncu - Müzikal veya Komedi dalında Altın Küre kazanmış, ayrıca En iyi kadın oyuncu dalında Oscar ödülünü de kazanmıştır.
2009 yılında vizyona giren Halk Düşmanları filminde Christian Bale ve Johnny Depp ile birlikte rol almıştır. 2009 yılında vizyona giren Nine filminde Kate Hudson, Nicole Kidman, Penelope Cruz, Fergie, Sophia Loren ve Daniel Day-Lewis gibi aktör ve aktrislerle birlikte rol almıştır. 2010 yılında ünlü yönetmen Christopher Nolan'ın Başlangıç filminde Leonardo DiCaprio ile kameralar karşısına geçmiştir. 2007 yılından bu yana Fransız aktör ve yönetmen Guillaume Canet ile birlikte olan güzel oyuncunun Marcel Canet isimli bir oğlu vardır.