Né d'un père violoniste et d'une mère avocate (mais voulant être danseuse), Judith Chemla grandit à Gentilly à quelques kilomètres au sud de la capitale française. Au lycée, elle s'initie au théâtre - discipline à laquelle elle ne tarde pas à s'y consacrer corps et âme - et entre au conservatoire de Paris quelques années plus tard. Elle en sort diplômée en 2007.

Côté cinéma, Judith Chemla commence par obtenir à partir de 2006 quelques petits rôles dans les comédies Hellphone, Faut que ça danse ! et Musée haut, musée bas. En parallèle, elle intègre la prestigieuse Comédie-Française et joue dans des pièces de théâtre comme Le Misanthrope, L'Illusion comique ou encore Figaro divorce.

Sur grand écran, l'actrice varie les genres et tourne sous la direction de prestigieux metteurs en scène. On la voit ainsi dans La Princesse de Montpensier (Bertrand Tavernier) et De vrais mensonges (Pierre Salvadori), avant de retrouver Noémie Lvovsky pour la comédie rétro Camille redouble, qui est bien reçue par le public et la critique. La prestation de l'actrice dans la peau de la lycéenne Josepha pote du rôle-titre est reconnue : elle reçoit le Prix Lumière du Meilleur espoir féminin (avec Julia Faure et India Hair) et est nommée au César de la Meilleure actrice dans un second rôle.

Fort de ce succès, ses rôles prennent de plus en plus d'importance. Judith Chemla tourne pour André Téchiné dans L'Homme qu'on aimait trop, joue la soeur de Géraldine Nakache dans Rendez-vous à Atlit et donne la réplique à la tête d'affiche d'Oslo 31 août Anders Danielsen Lie dans le mélancolique Ce sentiment de l'été.

La comédienne joue aussi dans des téléfilms, dont 15 jours ailleurs où elle incarne une jeune femme psychotique avec laquelle Didier Bourdon se lie d'amitié après un burn-out. Judith Chemla obtient le Prix du meilleur espoir féminin au Festival du film de télévision de Luchon. En 2015, elle obtient le rôle principal de Une vie de Stéphane Brizé (La Loi du marché) qui est une adaptation du premier roman de Guy de Maupassant paru en 1883. Son interprétation sensible d'une jeune femme naïve et rêveuse lui vaut d'être nommée au César de la meilleur actrice. 

Après s'être glissée dans une robe de mariée pour la comédie chorale Le Sens de la fête de Toledano et Nakache, l'actrice enchaîne les romances plus ou moins contrariées, avec Lune de miel, Vif-Argent (où elle s'éprend d'un fantôme), À coeur battant sur une relation longue distance, ou encore Les Cobayes, qui suit un couple qui se soumet à un traitement médical sensé raviver sa flamme. 

En 2022, elle s'illustre dans un registre plus exubérant avec Les Goûts et les couleurs, où elle campe une chanteuse, icône rock des années 1970. Quelques semaines après la sortie de cette comédie de Michel Leclerc, l'actrice prend publiquement la parole sur les violences dont elle a été victime de la part de son ex-compagnon, le comédien et réalisateur Yohan Manca, qui l'a dirigée dans Mes frères et moi. Ce dernier est condamné à huit mois d’emprisonnement avec sursis probatoire pour violences conjugales, harcèlement et violation de domicile. 

Laurent Schenck et Emilie Schneider