Formée pendant des années à l'école de danse de l'Opéra de Paris, Margaux Chatelier est choisie en 2006 par Nils Tavernier pour jouer le rôle-titre d'Aurore dans son premier long métrage en tant que réalisateur accordant la part belle à la danse. Elle y a pour partenaire le talentueux avec Nicolas Le Riche, danseur étoile à l'Opéra de Paris. Enchantée par cette expérience, la jeune fille décide de s'orienter vers le métier d'actrice. Après avoir suivi les cours Eva Saint-Paul et effectué un stage au sein de la London Academy of Music and Dramatic Art, elle rejoint en 2013 le Conservatoire National Supérieur d’Art Dramatique, à Paris, pour peaufiner son jeu. La comédienne en herbe est sélectionnée dans le même temps pour jouer dans Belle et Sébastien, l'adaptation de la mythique série des années 1960. Son personnage, Angélina, est la nièce du grand-père (Tchéky Karyo), laquelle veille comme une grande soeur sur le jeune Sébastien. Largement distribué dans les salles lors de sa sortie, le film donne une belle exposition à ses interprètes. Et son succès permet à Margaux de participer aux deux suites : L'aventure continue et Le dernier chapitre.

Pour les besoins de la saison 2 d'Outlander dont l'action se déroule en partie à Paris, Margaux Chatelier est amenée à intégrer la cour du roi Louis XV le temps de deux épisodes. Sur cette lancée, elle devient l'une des muses de Pablo Picasso dans la saison 2 de Genius retraçant le brillant parcours du célèbre peintre espagnol incarné ici par Antonio Banderas. Tout en se produisant sur les planches, la jeune femme devient la fille de Charlotte de Turckheim dans la comédie Abdel et la Comtesse. Et durant le printemps 2019, les téléspectateurs de M6 la découvrent dans le rôle de la meilleure amie de l'héroïne dans la mini-série Un avion sans elle adaptée du best-seller de Michel Bussi.