Nacida en Francia en 1976, Virginie Ledoyen, tras varios anuncios de televisión, empezó su carrera cinematográfica a los diez años con Les exploits dun jeune Don Juan. Poco más tarde protagonizó junto a Marcello Mastroiani y Angela Molina El ladrón de niños (1991) dirigida por Christian de Chalonge, La Ceremonia (1995) de Claude Chabrol, Jeanne y el Chico Formidable bajo las órdenes de Olivier Ducastel (1997) y Finales de agosto, principios de septiembre, de Olivier Assayas (1998).
Gracias a su intervención en el 2000 en la película La playa junto a Leonardo DiCaprio, Virginie se ha convertido en una de las actrices francesas con más proyección internacional.
Ha protagonizado una treintena de largometrajes entre los que destaca 8 mujeres, dirigida por François Ozon, en la que compartió cartel con algunas de las actrices francesas más destacadas del momento, Catherine Deneuve, Isabelle Huppert, Emmanuelle Béart y Fanny Ardant. Su trabajo en esta película les valió el Oso de Plata de Berlín en 2002, y el premio a la Mejor Actriz en en los European Film Awards 2002.
Entre sus últimos trabajos estrenados en nuestras pantallas destaca El internado, el primer largometraje de Pascal Laugier. Recientemente ha trabajado en Holly, del director Guy Moshe.