Après avoir fait une école de théâtre à l'adolescence, Laetitia Dosch intègre la classe libre du cours Florent. Elle s'exile ensuite en Suisse en passant par le Conservatoire national de Lausanne.

La jeune femme débute sa carrière en 2009 en jouant dans des courts-métrages. Elle fait une première apparition sur grand écran l'année suivante dans Complices, un thriller de Frédéric Mermoud. Laetitia est ensuite repérée par Justine Triet, qui lui offre un rôle dans son très remarqué La Bataille de Solférino en 2013. "Je suis choriste dans un groupe, et Justine Triet est dans le public. Je la vois. Je me dis : c'est quoi cette fille avec un chapeau et du rouge à lèvre ! Et puis on a commencé à parler comme ça. Après c'était plutôt une affaire de rencontre en fait", confie la comédienne.

Les rôles s'enchaînent ensuite pour l'actrice. Elle fait une incursion du côté du petit écran dans la saison 2  de Ainsi soient-ils avant de rejoindre Christophe Honoré dans son film musical Les Malheurs de Sophie. Elle donne également la réplique à Cécile de France dans La Belle saison. Cette habituée des drames passe ensuite par la case comédie dans La Fine équipe aux côtés de William Lebghil.

L'actrice est aussi douée en danse et diversifie ses activités, officiant comme auteur et metteuse en scène de théâtre. Elle brille notamment dans le spectacle "Laetitia fait péter."

En 2017, la carrière de Laetitia décolle. Elle est à l'affiche de deux films, Jours de France, sorti en mars, mais surtout Jeune Femme, sorti en novembre. La comédienne s'illustre dans la peau de Paula, de retour à Paris après une longue absence. Au fil des rencontres, la jeune femme est bien décidée à prendre un nouveau départ. Avec panache. Sa performance lui vaut une nomination au César 2018 du meilleur espoir féminin. L'année suivante, on retrouve l'artiste dans une nouvelle comédie, Gaspard va au mariage.

Laetitia Dosch incarne ensuite la sœur de Romain Duris dans la chronique familiale et sociale Nos batailles puis la maîtresse de Benjamin Biolay dans Les Apparences. Elle côtoie aussi Sara Forestier dans l'original Playlist, premier long métrage de l'auteure de bande dessinée Nine Antico, et Marina Foïs dans le drame centré sur la question migratoire Ils sont vivants. Elle goûte aussi à un registre plus léger avec la comédie romantique Petite leçon d'amour de Eve Deboise et la comédie Irréductible de Jérôme Commandeur.