Durant huit ans, Ludivine Sagnier prend des cours de théâtre à Sèvres avant d'accéder en 1994 au Conservatoire national d'Art dramatique de Versailles. Elle y remportera les premiers prix aux concours classique et moderne. À neuf ans, elle apparaît dans le film Les Maris, les femmes, les amants puis enchaînera les rôles avant de devenir une actrice importante de la nouvelle génération.

Elle deviendra l'actrice fétiche de François Ozon avec qui elle tourne trois films qui la révèleront au grand public, collaborant avec les réalisateurs Alain Resnais, Yvan Attal, Claude Miller, Claude Chabrol dans La Fille coupée en deux et plus récemment avec Christophe Honoré dans Les Chansons d'amour.