Enfant adoptée, Laurence Côte grandit à Autun, en Bourgogne. Le bac en poche, elle s'inscrit au cours Florent et à la Rue Blanche. Après une première apparition à l'écran en 1987 dans Travelling avant, l'actrice se fait remarquer en 1989 dans La Bande des quatre de Rivette : elle y incarne Claude, apprentie comédienne androgyne et intrépide. On la retrouve bientôt chez Doillon (La Vengeance d'une femme), Godard (Nouvelle Vague en 1990) et le tout jeune Arnaud Desplechin (le moyen-métrage La Vie des morts) des oeuvres audacieuses, et souvent graves, qui viennent conforter son image d'égérie du cinéma d'auteur.

En 1994, Laurence Côte écrit l'histoire, fortement autobiographique, d'une jeune femme à la recherche de sa mère, et convainc Rivette, alors en pleine préparation de Haut bas fragile, d'intégrer ce récit à son film. Mais c'est grâce aux Voleurs de Techiné qu'elle accède à la notoriété : sa composition d'étudiante qui fait chavirer le coeur de Catherine Deneuve lui vaut un César du Meilleur espoir en 1997. Révèlant une drôlerie insoupçonnée en allumée new age dans Encore, elle prend part à d'autres premiers films très originaux (Romaine puis, en 1999, Je règle mon pas sur le pas de mon père et Un pur moment de rock'n'roll). C'est une comédie estivale, Nos enfants chéris, qui permettra à Laurence Côte de renouer avec le succès en 2003. La même année, elle s'essaie à la réalisation en signant une série de courts métrages.

De retour devant la caméra, elle interprète le rôle d'une jeune femme en proie à des doutes à l'approche de son mariage dans Quand les anges s'en mêlent, premier long métrage de la réalisatrice Crystel Amsalem (2004).