Diplômée de la Fémis en section scénario, Céline Sciamma recycle son projet de fin d'études, soutenu par le réalisateur Xavier Beauvois, alors membre du Jury lors de son examen final, pour réaliser son premier long-métrage en 2007 : Naissance des pieuvres, une plongée dans le milieu de la natation synchronisée où trois adolescentes s'éveillent au désir.

Ce premier film qui esquisse déjà les prémices d'une thématique chère à la réalisatrice, l'ambiguïté sexuelle, est projeté dans la catégorie Un Certain Regard au Festival de Cannes en 2007 et remporte également le prix Louis-Delluc. Céline Sciamma devient une des nouvelles figures de proue d'un cinéma du relief, anglé sur la frontière entre le public et le privé, le fantasme et la réalité.

Après avoir réalisé un des courts-métrages du programme 5 films contre l'homophobie en 2009 et collaboré au scénario de la série de Canal+ Les Revenants, la cinéaste jette un pavé dans la mare avec le perturbant Tomboy : l'histoire de Laure, une petite fille de dix ans prenant les traits d'un garçon, Michaël, auprès de ses camarades. Une fois de plus, Céline Sciamma pointe du doigt un sujet peu abordé au cinéma. La diffusion du film sur la chaîne franco-allemande Arte fin février 2014, va même jusqu'à alerter le groupe intégriste catholique Civitas, qui voit en lui une incitation "à la théorie du genre" et appelle à interdire la diffusion du long-métrage.

Pour son troisième passage derrière la caméra, Bande de filles, la cinéaste poursuit son exploration intime des troubles de la féminité, en portant à l'écran le choc des cultures entre une adolescente de quinze ans, prisonnière des codes de la société, et un groupe de filles émancipées. La réalisatrice prête ensuite son talent de scénariste pour l'émouvant film d'animation Ma vie de courgette de Claude Barras et la chronique adolescente d'André Téchiné, Quand on a 17 ans.

En 2019, la cinéaste revient à la réalisation avec Portrait de la jeune fille en feu. Dans ce drame en costumes, elle retrouve Adèle Haenel, sa muse de Naissance des pieuvres. Présenté en compétition à Cannes, le long-métrage remporte le Prix du scénario et est également nommé au Golden Globes du meilleur film étranger. Dans la continuité de ses oeuvres précédentes, la cinéaste se penche sur l'émancipation de deux femmes à travers l'éclosion de leur passion amoureuse. Malgré des entrées décevantes en France, Portrait de la jeune fille en feu bénéficie d'un accueil critique triomphal et achève de faire de Sciamma l'une des cinéastes majeures en France. 

Deux ans plus tard, elle signe un film minimaliste à hauteur d'enfant : Petite maman, où une fillette se lie d'amitié avec sa mère, redevenue une petite fille.