İş adamı Henri Seydoux ve oyuncu Valérie Schlumberger çiftinin çocuğu olarak Paris'in batısındaki Passy bölgesinde dünyaya geldi. Anne ve babası, 3 yaşındayken ayrıldı. Oldukça zengin ve tanınmış bir babanın çocuğu olan Seydoux, yine de çocukluk yıllarında utangaç bir karakter sergiledi. İlk hayali opera şarkıcısı olmak olan Seydoux, bir süre Paris Konservatuarı'na devam etse de buradan ayrıldı. Oyuncu olmaya karar vermesi ise 18 yaşındayken gerçekleşti. Ülkesinde ve New York'taki Actors Studio'da oyunculuk eğitimi aldı.
2008'de oynadığı Christophe Honoré'nin La Belle Personne filmindeki Junie rolüyle Fransız Sineması'nda ilk kez adını duyuran Seydoux, bu rolüyle Gelecek Vaadeden Kadın Oyuncu dalında Cesar'a aday gösterildi. Quentin Tarantino'nun Soysuzlar Çetesi adlı yapımında LaPadite ailesinin kızı Charlotte rolünde oynayan Seydoux, Woody Allen'ın Paris'te geçen Paris'te Geceyarısı filminde antikacı Gabrielle, Mission: Impossible – Ghost Protocol filminde ise Sabine Moreau karakterleriyle Hollywood'da da kendini göstermeye başladı.
2013 yapımı Mavi En Sıcak Renktir filminde Emma karakterini canlandıran Seydoux, hem oldukça güç bir rolün altından başarıyla kalkması, hem de başrolü paylaştığı Adèle Exarchopoulos'la uyumuyla çok büyük takdir kazandı. Birçok ödüle aday gösterilen Seydoux, rol arkadaşı Exarchopoulos'la birlikte onursal Altın Palmiye ödülüne layık görüldü. Büyük Budapeşte Oteli, The Lobster gibi uluslararası yapımlarda yer alan sanatçı, 2015'te çekilen Bond filmi Spectre'da Madeleine Swann karakteriyle başrolde oynadı. 2016 yapımı Xavier Dolan filmi Alt Tarafı Dünyanın Sonu'nda (It's Only the End of the World) ailenin asi kızı Suzanne rolüyle beyazperde izleyicisiyle buluştu.
André Meyer ile birlikte olan Seydoux'nun 2017 doğumlu Georges adlı bir oğlu bulunmaktadır.