Parisienne de naissance, Camille Cottin passe cinq années de son adolescence en Angleterre. De retour dans l'Hexagone, elle dispense des cours d'anglais dans un lycée de la capitale. Mais cette passionnée de théâtre n’y trouve pas son compte, et rêve de scène et de comédie, si bien qu’à côté de ses fonctions d’enseignante, elle se forme à l'école de théâtre et d’art dramatique Jean Périmony. En 1998, elle rejoint une petite troupe et se produit dans une pièce intitulée Barrio Chino et deux ans plus tard, décroche son premier rôle au cinéma dans Yamakasi d’Ariel Zeitoun.

L’actrice multiplie ensuite les apparitions, tant à la télévision (Femmes de Loi, P.J), qu’au théâtre où elle mène une riche carrière sous la direction de Pierre Palmade qui l’intègre à sa troupe en 2009. 2013 est l’année du succès.

Repérée pour ses talents de comédienne, Camille Cottin se voit confier des rôles en or. Elle apparaît dans la série familiale Pep’s, sous les traits de Marina Trufaine, un parent d’élève aux méthodes strictes, mais est surtout révélée par son rôle dans Connasse, le programme court de Canal+, où derrière une caméra cachée, elle sème la pagaille dans chacun des lieux où elle se rend. Malpolie, franche et sans aucun scrupule, la "connasse" séduit et suscite des éclats de rires à chacune de ses apparitions. La même année, elle donne la réplique à Audrey Fleurot et Camille Chamoux dans Les Gazelles.

Sa notoriété s'accentuant, Camille Cottin prend part à la comédie Toute première fois (2015) dans laquelle elle joue aux côtés de Pio Marmaï et Franck Gastambide. La même année sort en salles Connasse, princesse des cœurs, qui n'est autre que l'adaptation de la mini-série de sketchs Connasse, qui est un joli succès au box-office français. Fort de ce succès, la comédienne est à l'affiche des comédies Les Gorilles et Cigarettes et Chocolat chaud. Elle goûte aussi au thriller via Iris de Jalil Lespert et prend part à la série à succès Dix Pour Cent via le rôle d'Andréa gérant les caprices de stars.

Camille Cottin est ensuite en tête d'affiche avec Juliette Binoche de Telle mère, telle fille réalisé par quelqu'un qu'elle connaît bien puisqu'il s'agit de Noémie Saglio. En 2018, elle cherche à remonter le moral de sa mère qui vient d'être plaquée par son mari en l'amenant dans un club de vacances sur l’Ile de la Réunion. La native de Paris goûte également à des registres plus dramatiques comme avec Les Eblouis, où elle campe une mère qui s'engage, avec sa famille, dans une communauté charismatique religieuse.

L'année 2021 est chargée pour Camille : elle aide Matt Damon qui cherche à faire sortir sa fille de prison dans le thriller se déroulant à Marseille Stillwater, rejoint le casting quatre étoiles du biopic de Ridley Scott dans House of Gucci et incarne l'épouse avocate du légionnaire Louis Garrel. Deux ans plus tard, elle trouve un rôle fort dans Toni en famille, celui d'une mère célibateire élevant cinq enfants, et poursuit sa carrière américaine en jouant une ancienne nonne devenue gouvernante dans Mystère à Venise.

En 2024, Camille Cottin campe la Reine dans le délirant L'Empire de Bruno Dumont et une responsable d'association caritative dont le charme ne laisse pas Benjamin Biolay indifférent dans Quelques jours pas plus. Cette même année, l'actrice est maîtresse des cérémonies (d'ouverture et de clôture) au Festival de Cannes.