Philippine Leroy-Beaulieu passe son enfance en Italie. A seize ans, le métier d'actrice la démange et, contre l'avis de ses parents (son père est le comédien Philippe Leroy-Beaulieu), la jeune fille part étudier la comédie à Paris. Après une expérience sur les planches, elle débute sur grand écran en 1983 dans la comédie Surprise Party de Roger Vadim.

En 1985, Philippine Leroy-Beaulieu décroche son premier grand rôle (et une nomination à l'Oscar du meilleur second rôle) en incarnant la mère désemparée de Trois hommes et un couffin. Le succès public de la comédie de Coline Serreau profite à la comédienne qui enchaîne, paradoxalement, avec une série de films en costumes tels que Les Possédés (Andrzej Wajda - 1988), Les Deux Fragonard (Philippe Le Guay - 1989) ou encore La Révolution française (Robert Enrico, Richard T. Heffron - 1989).

En 1993, la comédienne effectue un retour réussi à la comédie en incarnant l'épouse enceinte de Patrick Braoudé dans Neuf mois. Puis confirme dans le genre avec La Belle Verte, Hercule et Sherlock et La voie est libre, sans pour autant que cela ne la confine exclusivement à des thèmes légers, comme en témoignent ses prestations dans Jefferson à Paris ou Vatel.

En 2003, Philippine Leroy-Beaulieu reprend son rôle de Sylvia dans 18 ans après, la suite de Trois hommes et un couffin. Elle est également au générique de Deux frères, le film d'aventure de Jean-Jacques Annaud. Après quelques apparitions ici et là pour des rôles mineurs, les téléspectateurs de France 2 la découvrent en 2015 dans Dix pour cent, la série à succès de France 2 sur le quotidien mouvementé de quatre agents de comédiens. Elle y interprète l’épouse trompée de Mathias Barneville (Thibault de Montalembert).

La popularité du programme du programme lui permet d’être propulsée sous les feux des projecteurs et de décrocher le rôle-titre d’Agathe Koltès. Dans cette série de France 3, elle est un commandant de police, dont le nouveau poste en Bretagne est l’occasion de renouer des liens avec sa fille commissaire (Hortense Gélinet). L’actrice rend finalement son badge pour prêter ses traits, dès octobre 202, à la redoutable Sylvie Grateau, la patronne de Lily Collins dans Emily in Paris. Dans cette création originale Netflix signée par Darren Starr, elle est à la tête de Savoir, une agence de marketing parisienne, qui ne vante que des produits de luxe. Philippine Leroy-Beaulieu y retrouve notamment Arnaud Binard, son époux à l’écran, avec lequel elle a déjà collaboré sur Agathe Koltès.