Membre du Jury "Un Certain Regard" du Festival de Cannes 2013.

Après huit ans de cours de théâtre à Sèvres, Ludivine Sagnier rentre en 1994 au Conservatoire d'art dramatique de Versailles, où elle remporte les premiers prix au concours classique et au concours moderne. Elle débute au cinéma en 1988 dans Les Maris, les femmes, les amants ainsi que dans des courts métrages, dont Acide animé qui lui permet d'obtenir le Lutin de la Meilleure comédienne en 1999.

Après des petits rôles dans Les Enfants du siècle et Rembrandt, elle tourne sous la direction de François Ozon dans Gouttes d'eau sur pierres brûlantes (2000), une adaptation de la pièce de Rainer Werner Fassbinder Tropfen auf heisse Steine. Leur collaboration se poursuit avec la comédie chantée 8 femmes (2002), où elle donne la réplique à des actrices aussi prestigieuses que Catherine Deneuve et Fanny Ardant. Ce film est l'occasion pour l'actrice de s'essayer à la chanson, une expérience qu'elle renouvelle en 2007 dans le film musical Les Chansons d'amour de Christophe Honoré. En 2003, son mentor François Ozon assoit définitivement son statut de sex symbol dans le thriller Swimming pool.

Sa carrière lancée, elle embarque pour une virée à travers l'Europe dans Bon plan (2000), campe une baby-sitter pour le couple Charles Berling / Karin Viard dans Un jeu d'enfants (2001), puis se prête à trois reprises au jeu du doublage pour les dessins animés La Cour de récré : vive les vacances !, La Légende de Parva et Gang de requins. Elle continue d'ailleurs sur cette lancée pleine de magie, en rejoignant le casting international de Peter Pan où elle incarne la mutine fée Clochette sous la direction de P.J. Hogan.

En 2003, elle tourne La Petite Lili de Claude Miller, qu'elle retrouve en 2007 dans Un secret, l'adaptation du roman de Philippe Grimbert. Sur le tournage d' Une aventure, elle noue une relation avec Nicolas Duvauchelle, avec qui elle a son premier enfant. Habituée au rôle de séductrice, l'actrice change de registre en 2006 dans La Californie. Dirigée par Jacques Fieschi, elle y incarne Hélène, la fille de Nathalie Baye. Un an plus tard, Claude Chabrol la met dans la peau de La Fille coupée en deux, partagée entre Benoît Magimel et François Berléand. Après avoir tenu le rôle de Sylvia Jeanjacquot, la compagne déterminée de Mesrine dans le diptyque du même nom, elle se glisse dans la peau d'une jeune femme manipulée et manipulatrice sous la direction d'Alain Corneau dans son thriller au féminin, Crime d'amour.

En 2010, elle devient la soeur de Diane Kruger pour les besoins du film de Fabienne Berthaud, Pieds nus sur les limaces, dans lequel elle interprète une jeune femme exubérante et mystérieuse, prête à tout pour s'amuser et se sentir libre. L'année suivante, Christophe Honoré fait une seconde fois appel à ses talents d'actrice et de chanteuse pour son film musical Les Bien-aimés (2011). Elle y incarne Madeleine, une jeune femme légère des années 60, jouée dans les années 2000 par Catherine Deneuve. 

Toujours en 2011, Ludivine Sagnier renouvelle l'expérience du doublage en prêtant sa voix au personnage de Maud dans le film d'animation Un Monstre à Paris et joue de nouveau en anglais dans The Devil's Double du réalisateur néo-zélandais Lee Tamahori, huit ans après Peter Pan. Le cinéma français continue de faire appel à elle notamment pour des comédies, à l'image d'Amour & turbulences, Tristesse Club et Lou ! Journal Infime. Elle retrouve ensuite le genre du polar avec La Résistance de l'air du réalisateur franco-canadien Fred Grivois, dans lequel elle donne la réplique au très à la mode Reda Kateb.