Dès l'âge de trois ans, Bérénice Bejo emménage en France avec ses parents. Miguel Bejo, son père réalisateur, l'immerge dans la culture cinématographique et lui fait prendre des cours de théâtre. Elle effectue ses premières apparitions à l'écran dans les courts métrages Pain perdu (1993) et Enceinte ou lesbienne (1996), puis interprète le personnage de Karine dans Les Soeurs Hamlet (1998) d'Abdelkrim Bahloul. Elle enchaîne alors les petits rôles dans La Captive (2000) et Passionnément (id.) avant de connaître la consécration grâce à Meilleur Espoir féminin (id.) de Gérard Jugnot. Sa prestation d'apprentie comédienne lui vaut d'être nommée au... César du Meilleur espoir féminin.
En 2001, la belle au charme métissé s'envole outre-Atlantique participer au tournage de Chevalier (2001) de Brian Helgeland, film moyen-âgeux pour lequel elle a décroché le rôle de Christiana, confidente de Shannyn Sossamon à l'écran. En France, on la voit jouer sous la direction de Marie-France Pisier (Comme un avion, 2002), Laurent Bouhnik (24 heures de la vie d'une femme, 2003) et Steve Suissa (Le Grand rôle, 2004 ; Cavalcade, 2005). Elle s'illustre également dans un cinéma plus intimiste, celui d'Anna da Palma (Sans elle..., 2005) et de Manuel Poirier (La Maison, 2007), avant de se tourner résolument vers la comédie comme en témoignent ses prestations aux côtés de Jean Dujardin dans OSS 117, Le Caire nid d'espions (2006) et de Didier Bourdon dans Bouquet final (2008).