Révélée à 14 ans par la chanson Joe le Taxi qui triomphe dans les hit-parades durant tout l'été 1987, Vanessa Paradis fait ses premiers pas au cinéma, parrainée par son oncle, le comédien Didier Pain, dans Noce blanche de Jean-Claude Brisseau. Sa composition passionnée d'adolescente fragile et amoureuse de son professeur (Bruno Crémer) lui vaut déjà le César du meilleur espoir féminin en 1990.

Tout en poursuivant sa carrière de chanteuse -elle enregistre notamment un album avec Serge Gainsbourg-, Vanessa Paradis revient au cinéma en 1994 sous la direction de Jean Becker dans Elisa, un film dont le titre fait justement référence à une chanson-phare de l'homme à tête de chou. Ce road-movie dans lequel elle incarne une jeune fille à la recherche de son père (Gérard Depardieu) connaît un gros succès public. Après avoir croisé Jeanne Moreau dans Un amour de sorcière, Vanessa Paradis arbitre les retrouvailles de Belmondo et Delon dans Une chance sur deux de Patrice Leconte, un cinéaste qui lui offre ensuite le rôle d'Adèle, jeune femme paumée et suicidaire dans La Fille sur le pont en 1999 : l'actrice livre, face à Daniel Auteuil, une de ses prestations les plus remarquées dans cette œuvre poétique et sophistiquée. Elle décroche une nomination pour le César de la meilleure actrice. 

Formant à la ville un couple très glamour avec le célèbre acteur américain Johnny Depp, la chanteuse et comédienne, longtemps absente des écrans de cinéma, réapparaît en 2004 dans le délirant Atomik circus : le retour de James Bataille. Prostituée au grand cœur dans Mon ange (2005), le premier long-métrage de Serge Frydman (scénariste-fétiche de Leconte), elle rejoint ensuite la brillante distribution de La Clef, le polar de Guillaume Nicloux (2007). Préférant revenir à la musique, elle délaisse quelques temps le cinéma avant d'y revenir en 2010. Après avoir enregistré une chanson sur la bande originale du film Thelma, Louise et Chantal, elle partage l'affiche avec Romain Duris dans la comédie romantique L'Arnacoeur, grand succès public qui la remet dans le cœur d'une nouvelle génération de cinéphiles.

Portée par cet élan, elle fait vibrer sa voix enchanteresse pour le film d'animation Un monstre à Paris, où elle retrouve Mathieu Chédid après l'expérience du Soldat Rose. En 2012, elle privilégie les drames plus intimistes, avec le poignant Café de Flore et le très juste Je me suis fait tout petit dans un premier temps, puis Cornouaille, réalisé par Anne Le Ny. La même année marque sa séparation d'avec Johnny Depp. En 2014, elle tourne le premier film en langue anglaise de sa carrière sous la direction de John Turturro. Ce dernier incarne un Apprenti Gigolo qui offre ses services aux femmes qui souhaitent échapper à la solitude. L'entente est telle entre elle et Turturro qu'ils se retrouvent pour un segment de Rio, I Love You. Elle n'en oublie pas pour autant la France et s'affiche la même année au milieu du casting 100% féminin de Sous les jupes des filles, un film choral qui lui permet de côtoyer Isabelle Adjani, Laetitia Casta, Alice Belaïdi et Audrey Fleurot.

Si elle fait partie en 2016 du jury du Festival de Cannes présidé par George Miller, il faudra attendre 2017 pour la revoir au cinéma dans le rôle d'une actrice confirmée et bienveillante qui prend sous son aile Maryline, l'héroïne du deuxième long de Guillaume Gallienne. Toujours aussi populaire et courtisée, elle est à l'affiche de pas moins de quatre films en 2018. Après un détour par la Lituanie dans Frost de Sharunas Bartas, elle est une épouse qui traite son mari comme un Chien dans la comédie noire et mordante de son compagnon Samuel Benchetrit. Elle se glisse ensuite dans la peau d'une alcoolique blonde peroxydée et productrice de films pornos gays pour les besoins d'Un couteau dans le coeur. Cette oeuvre singulière et baroque, hommage aux giallos et aux films pour adultes des années 70, lui permet de monter les marches du Festival de Cannes où le film est en compétition officielle, une première dans sa carrière. Dans un registre diamétralement opposé, la comédie dramatique Photo de famille la contraint à renouer avec ses frère et soeur, Camille Cottin et Pierre Deladonchamps, lors de l'enterrement de leur grand-père. Elle retrouve pour l'occasion Cécilia Rouaud qui l'avait dirigée dans Je me suis fait tout petit.