Marion Cotillard studerede drama ved Conservatoire d'Art Dramatique in Orléans, og hendes første filmrolle var i det franske drama 'L'histoire du garçon qui voulait qu'on l'embrasse' i 1994. Alligevel var rollen som Lilly Bertineau i Taxi (1998), hendes første bemærkelsesværdige rolle.

Hun vandt Oscar for bedste kvindelige hovedrolle efter sin præstation i Spurven (2007), hvor hun spillede selveste Edith Piaf.

Cotillard er senere blevet en af instruktør Christopher Nolans yndlinger, og man kan se hende i både Inception (2010) og The Dark Knight Rises (2012).

Hun kan også ses i film som Små hvide løgne (2010), Midnight in Paris (2011) og Contagion (2011).