Bérénice Bejo est née en Argentine. Dès l'âge de trois ans, elle emménage en France avec ses parents. Miguel Bejo, son père réalisateur, l'immerge dans la culture cinématographique et lui fait prendre des cours de théâtre. Elle effectue ses premières apparitions à l'écran dans les courts métrages Pain perdu (1993) et Enceinte ou lesbienne (1996), puis interprète le personnage de Karine dans Les Soeurs Hamlet (1998) d'Abdelkrim Bahloul. Elle enchaîne alors les petits rôles dans La Captive (2000) et Passionnément (id.) avant de connaître la consécration grâce à Meilleur Espoir féminin (id.) de Gérard Jugnot. Sa prestation d'apprentie comédienne lui vaut d'être nommée au... César du Meilleur espoir féminin. Outre le cinéma, l'actrice apparaît au petit écran dans les séries françaises Alice Nevers, le juge est une femme et Sauvetage.

En 2001, la belle au charme métissé s'envole outre-Atlantique participer au tournage de Chevalier (2001) de Brian Helgeland, film moyen-âgeux pour lequel elle a décroché le rôle de Christiana, confidente de Shannyn Sossamon à l'écran. En France, on la voit jouer sous la direction de Marie-France Pisier (Comme un avion, 2002), Laurent Bouhnik (24 heures de la vie d'une femme, 2003) et Steve Suissa (Le Grand rôle, 2004 ; Cavalcade, 2005).

Elle s'illustre également dans un cinéma plus intimiste, celui d'Anna da Palma (Sans elle..., 2005) et de Manuel Poirier (La Maison, 2007), avant de se tourner résolument vers la comédie comme en témoignent ses prestations aux côtés de Jean Dujardin dans OSS 117, Le Caire nid d'espions (2006) réalisé par son compagnon Michel Hazanavicius, de Kad Merad dans Modern Love (2007) et de Didier Bourdon dans Bouquet final (2008). Elle s'incruste entre-temps dans le polar avec 13m² (2007) avant d'apparaître dans L'Enfer d'Henri-Georges Clouzot (2009), film à mi-chemin entre documentaire et reconstitution.

L'année 2011 symbolise son goût pour les genres les plus divers : après La Traque, thriller fantastique avec Grégoire Colin et François Levantal, Bérénice Bejo crève l'écran dans The Artist réalisé par Michel Hazanavicius. Surprenant et époustouflant, ce film muet en noir et blanc raconte la vie de George Valentin (Jean Dujardin), acteur muet du Hollywood des années 20, qui perd son statut de star à l’arrivée des films parlants. D’abord sélectionné au Festival de Cannes où Jean Dujardin reçoit le prix d’interprétation masculine, le film fait l’unanimité dans le monde du cinéma. Il est récompensé plus de 50 fois, avec pour ultime consécration 5 Oscars et 6 César, dont celui de la meilleure actrice pour Bérénice Bejo.

En août 2012, elle change littéralement de genre en doublant Mérida, la drôle et intrépide héroïne du film d’animation Disney, Rebelle. Plus tard dans l’année, le public français la retrouve dans Populaire, aux côtés de Romain Duris et Déborah François. Preuve de son talent et de son jeu d’actrice, la jeune femme crève l'écran l’année suivante dans drame de l’Iranien Asghar Farhadi : Le Passé. Sa bouleversante performance lui vaut le prix d’interprétation féminine au 66ème Festival de Cannes. Dans un autre registre sort la même année en salle Au bonheur des ogres, une comédie décalée de Nicolas Bary avec Raphaël Personnaz et Guillaume de Tonquédec.

En 2014, on la retrouve en experte diamantaire dupée par Yvan Attal dans Le Dernier Diamant puis en novembre dans The Search, le nouveau long-métrage de Michel Hazanavicius. Dans ce remake des Anges marqués de Fred Zinnemann, Bejo interprète une chargée de mission pour l’Union Européenne qui recueille un jeune réfugié tchétchène. Désormais une habitude pour l’actrice, le film est présenté en compétition au Festival de Cannes 2014 dans pas moins de neuf catégories, mais se solde par un échec critique et surtout commercial.

Bérénice Bejo refait équipe avec son mari sur Le Redoutable (2017) et Le Prince oublié (2020) qui, dans une moindre mesure que The Search mais tout de même, ne rencontrent pas le succès escompté. Parallèlement, elle trouve un rôle fort dans L'Economie du couple (2016), celui d'une mère de famille se disputant, avec son mari Cédric Kahn, le partage de leur maison, et campe une femme un peu naïve qui rend ses amis particulièrement jaloux lorsqu'elle devient une écrivaine reconnue dans Le Bonheur des uns... (2020). En 2021, elle goûte aux joies du thriller avec L'Homme de la cave, où elle est confrontée, avec son mari Jérémie Renier, à un François Cluzet inquiétant en négationniste.