Lola Dewaere n'a pas 3 ans lorsque son père, le comédien Patrick Dewaeve, se donne la mort en juillet 1982. L'ombre de cette illustre figure paternelle marque inévitablement sa vie. Enfant rebelle refusant l'autorité, l'adolescente s'inscrit au cours Florent dans l'espoir de suivre une carrière artistique. Un grave accident de voiture l'oblige, en 2001, à se tourner vers des jobs alimentaires. Quelques années plus tard, elle quitte un poste dans l'immobilier pour retenter sa chance en tant qu'actrice. Myriam Boyer lui confie alors un second rôle dans la fiction d'Arte La vie devant soi, tirée du roman de Romain Gary. Le train est désormais en marche...

Les propositions affluent, au théâtre comme au cinéma. Charlotte De Turckheim la dirige, en 2012, aux côtés de Victoria Abril, dans Mince alors !, un film qui lui vaut une nomination au César du Meilleur espoir féminin. Après avoir incarné la cantatrice Maria Callas sur les planches face à Pierre Santini et Andréa Ferréol, Lola Dewaere partage l'affiche avec Christophe Malavoy et Anne-Elisabeth Blateau dans la comédie La croisière. La série de TF1 ne convainc pas le public et ne dépasse pas la 1ère saison. Heureusement, sa prestation dans le téléfilm de France 2 Ligne de mire lui permet de remporter, en 2014, le Prix d'interprétation au Festival de télévision de Luchon. Dans la foulée, Jean-Pierre Mocky lui offre un rôle de choix dans son long métrage, Tu es si jolie.

Aperçue dans des succès tels que Le Zèbre, La Vengeance aux yeux clairs, Crimes parfaits ou La dernière vague, Lola Dewaere se fait remarquer dans deux rôles récurrents : le premier, celui de Mathilde dans les mini-séries de TF1 Le Tueur du lac et Peur sur le lac, portées par Julie de Bona et Lannick Gautry. Le second est celui de l'adjudante-chef de la gendarmerie Caroline Martinez dans la collection Crimes à... de France 3.

Dès lors, France 2 pense à elle pour partager la vedette avec Sara Mortensen, dès avril 2019, dans la série Astrid et Raphaëlle. Lola Dewaere y interprète le commandant Raphaëlle Coste, amenée à faire équipe avec une documentaliste autiste travaillant pour la police. Ce duo improbable, qui parvient à résoudre de multiples affaires criminelles, séduit les téléspectateurs et devient un rendez-vous régulier sur la chaîne.

En marge d'Astrid et Raphaëlle, Lola Dewaere se consacre à d'autres projets. Elle reprend notamment le rôle de Nina dans la suite de Mince Alors ! et retrouve Julie de Bona dans Le Souffle du dragon et Aurélien Wiik dans Le Village des endormis. A l'occasion du 40ème anniversaire de la disparition de son père, elle prépare avec Alexandre Moix le documentaire Patrick Dewaere, mon héros, présenté en avant-première, en 2022, au Festival de Cannes. Le film, composé de témoignages de nombreuses personnalités, apporte un éclairage intime et empreint de justesse sur la vie et mal-être de ce comédien parti trop tôt.

Pour TF1, Lola Dewaere se glisse, en 2024, dans la peau de Mademoiselle Holmes, l'alter-ego féminin de Sherlock Holmes, épaulée ici par un docteur Watson joué par Tom Villa.

Pascal Muscarnera