Passionnée de théâtre, Cécile de France quitte la Belgique à l'âge de dix-sept ans pour s'installer à Paris, où elle entame sa carrière de comédienne. Elle étudie à l'école de la rue Blanche où elle est découverte par l'agent artistique Dominique Besnehard.
Cécile de France enchaîne alors les courts métrages, les téléfilms et les pièces de théâtre. En 2000, Richard Berry lui offre le rôle de l'irrésistible Laure dans son premier long métrage, L'Art (délicat) de la séduction. Cécile de France prend l'habitude d'incarner des personnages féminins empreints d'un certain romantisme : Irène (2002) et A + Pollux (id.). C'est son entrée dans l'univers de Klapisch, et plus exactement dans son Auberge espagnole qui lui permet de raffler le César 2003 du Meilleur espoir féminin ainsi que le prix Louis Lumière. Deux ans plus tard, elle reprendra son rôle de lesbienne confidente dans la suite Les Poupées russes.
Entre-temps, changement de registre avec Haute tension, un thriller horrifique d'Alexandre Aja ou encore sa première expérience américaine en figurant au générique du Tour du monde en 80 jours. Puis, la comédienne forme avec Vincent Lindon le drôle de couple de loufiats imaginé par Etienne Chatiliez pour La Confiance règne (2004) où elle prend l'accent du nord. En 2005, elle est remarquée par la réalisatrice-scénariste Danièle Thompson qui lui propose de "chapoter" son film chorale Fauteuils d'orchestre dans lequel se croisent des acteurs de renom comme Albert Dupontel, Valérie Lemercier ou encore Laura Morante.
Désormais considérée comme une valeur sûre du cinéma hexagonal, Cécile de France tient ensuite le haut de l'affiche de Quand J'étais Chanteur où elle donne la réplique à un chanteur de bal sur le déclin incarné par Gérard Depardieu. Une prestation qui lui permet d'être nommée aux César dans la catégorie Meilleure actrice. En 2007, c'est face à Patrick Bruel qu'elle impressionne à nouveau dans le film de Claude Miller, Un secret. Elle s'y affirme véritablement comme actrice dramatique et récolte au passage une nouvelle citation aux César. Sans pour autant négliger les comédies (Mauvaise passe), l'actrice poursuit sur sa lancée et participe à l'ambitieux projet autour de Mesrine où elle incarne l'une des compagnes du gangster. En 2009, elle prête ses traits à Soeur Sourire dans le biopic inspiré de la vie de la célèbre religieuse.