Après avoir étudié le théâtre au lycée, Leïla Bekhti enchaîne les petits boulots tout en cherchant à percer dans la comédie. Poussée par des amies, elle participe au casting de Sheitan, film de Kim Chapiron mettant en scène Vincent Cassel : elle décroche le rôle de Yasmine, une jeune femme qui, avec ses amis, se retrouve le soir de Noël dans une maison gardée par un inquiétant berger. Premier long-métrage du collectif Kourtrajmé, Sheitan est un film d'horreur trash et irrévérencieux.

Remarquée pour sa prestation, elle obtient des rôles dans le film collectif Paris, je t'aime (2005) et dans la première réalisation de Roschdy Zem, Mauvaise foi (2006). Sa carrière est lancée. Elle alterne ses prestations entre le cinéma et la télévision, jouant notamment aux côtés de Gérard Jugnot dans Ali Baba et les 40 voleurs.

En 2008, la jeune femme s'illustre dans deux grands polars français, Mesrine : L'Instinct de mort de Jean-Francois Richet où elle retrouve Vincent Cassel, et Un prophète de Jacques Audiard, Grand Prix du jury au Festival de Cannes. Seul rôle féminin du casting, elle monte les Marches et se fait connaître du grand public. Elle y rencontre aussi celui qui deviendra son compagnon à la ville, Tahar Rahim.

En 2009, elle est repérée par Géraldine Nakache, qui la dirige et lui donne la réplique dans Tout ce qui brille. Cette comédie rencontre un grand succès public et critique, et lui vaut le César du Meilleur Jeune Espoir féminin 2010 et le Swann d’Or de la révélation féminine 2010 au Festival du Film de Cabourg. En outre, le film marque le début d'une grande amitié entre l'actrice et Géraldine Nakache.

Les deux femmes se retrouvent la même année au casting du premier film d’Anne Depetrini, la comédie Il reste du jambon ?. Leïla Bekhti s'essaye ensuite à la comédie musicale dans Toi, moi, les autres, où elle chante et danse, et poursuit avec la comédie romantique Itinéraire bis, premier long métrage de Jean-Luc Perreard et où elle donne la réplique à Fred Testot. 

La comédienne fréquente aussi des plateaux plus intimistes, comme ceux de Radu Mihaileanu pour La Source des femmes, film se déroulant au Maghreb, dont elle est originaire. Début 2012, elle est à l'affiche d'Une vie meilleure, drame de Cédric Kahn où elle se glisse dans la peau de la compagne d'un Guillaume Canet endetté jusqu'au cou. Cette même année, elle campe la fille policière de Roschdy Zem dans le polar Mains armées et se fait ensuite à nouveau diriger par Nakache dans Nous York.

Active, Leïla Bekhti tient le rôle principal du drame Maintenant ou jamais, en salles en septembre 2014, sur une mère de famille désespérée qui se lance dans des braquages de banques. L’année suivante, elle accompagne les débuts de deux metteurs en scène : Brigitte Sy avec L’Astragale, drame en noir et blanc où elle partage l’affiche avec l’acteur en vogue, Reda Kateb ; et l’humoriste Kheiron dans Nous trois ou rien, qui raconte l’histoire vraie de ses parents et leur exil d’Iran. Enfin, l’actrice élargit son horizon dans la série franco-suédoise Jour Polaire, coproduite par Canal +, où elle incarne une agent de police chargée de mener une enquête sur une succession de meurtres violents, aux confins de la Laponie.

En 2018, Leïla Bekhti joue l'une des deux sœurs du thriller de Jérémie et Yannick Renier Carnivores, puis aide Fabrice Luchini après un AVC dans Un homme pressé. Décidément à l'aise dans des rôles dramatiques, elle campe aussi une mère de famille confrontée à une nounou instable dans Chanson douce, adapté du best-seller et Prix Goncourt de Leïla Slimani.

En 2020, c'est à la télévision qu'elle se fait plus présente, entre sa participation à la mini-série musicale de Damien Chazelle, The Eddy, sortie sur Netflix, et La Flamme sur Canal+, une parodie du Bachelor où l'actrice campe une prétendante prête à tout pour conquérir le cœur de Marc, un pilote de ligne célibataire interprété par Jonathan Cohen. Elle reprendra en 2022 son rôle d'Alexandra, la juriste psychopathe, dans la suite, Le Flambeau, les aventuriers de Chupacabra, qui tourne cette fois en dérision Koh Lanta et autres émissions de survie.

Entre temps, la native d'Issy-les-Moulineaux goûte aux joies du film de super-héros comme en témoigne sa prestation dans Comment je suis devenu super-héros en 2021. Cette même année, on la voit en militaire participant à l'opération Sentinelle dans La Troisième guerre, et en compagne d'un homme bipolaire dans Les Intranquilles de Joachim Lafosse.

Toujours aussi sollicitée, elle continue de montrer qu'elle est aussi à l'aise dans la comédie (la saison 3 de l'émission de divertissement LOL : Qui rit, sort !) et le drame (Je verrai toujours vos visages sur la méconnue justice restaurative). Elle enchaîne ensuite les films d'époque avec C'est mon homme, triangle amoureux situé au lendemain de la Première Guerre mondiale, et La Nouvelle femme qui se déroule en 1900 et revient sur les débuts de la méthode Montessori. Elle traverse ensuite cinq décennies dans Ma Mère, Dieu, et Sylvie Vartan, ou le récit de l'amour inconditionnel d'une mère pour son fils. Pour l'occasion, elle retrouve son comparse de La Flamme, Jonathan Cohen, dont elle joue la mère, métamorphosée grâce à du maquillage et des prothèses.