Adèle Haenel commence sa carrière par le théâtre avant d'être repérée, à l'âge de 13 ans, par le cinéaste Christophe Ruggia pour jouer dans le film Les Diables (2002), aux côtés d'un autre acteur qui débute : Vincent Rottiers. Après une pause de 5 ans, la jeune actrice revient au cinéma dans Naissance des pieuvres, premier film de Céline Sciamma. Ce rôle lui permet d'être nominée pour la première fois aux César, dans la catégorie Meilleure espoir.

En 2011, elle est à l'affiche de En ville et fait partie du casting presque entièrement féminin de L'Apollonide - souvenirs de la maison close de Bertrand Bonello. Sa prestation lui vaut une seconde nomination aux César ainsi que le Prix Lumière du Meilleur espoir féminin. Adèle Haenel poursuit sa jeune carrière avec Alyah (2012), où elle charme le dealer Pio Marmai, puis fait un tour dans les Trois Mondes de Catherine Corsini.

En 2014, elle décroche le César du meilleur second rôle féminin pour Suzanne de Katell Quillévéré, dans lequel elle joue la soeur de Sara Forestier. La même année, elle présente deux films à Cannes, Les Combattants, premier long remarqué de Thomas Cailley, qui repart multi-primé du festival, et L'Homme qu'on aimait trop d'André Téchiné, dans lequel elle donne la réplique à Guillaume Canet et Catherine Deneuve.

De plus en plus sollicitée en tant qu'actrice de premier plan, Adèle Haenel est à l'affiche des Ogres de Léa Fehner, film extrêmement bien reçu par la critique, puis se glisse dans la peau du personnage principal du nouveau long métrage des frères Dardenne, La Fille inconnue. Elle y campe une médecin se sentant coupable de ne pas avoir ouvert la porte de son cabinet à une jeune fille retrouvée morte peu de temps après. 

En 2017, Adèle Haenel fait partie de la distribution de 120 battements par minute, qui est auréolé de nombreux prix dont le Grand Prix du Jury au festival de Cannes. L'année suivante, elle fait la révolution aux côtés de Gaspard Ulliel dans Un peuple et son roi de Pierre Schoeller et incarne une inspectrice de police dans la comédie En liberté ! de Pierre Salvadori, où elle retrouve son partenaire de Alyah, Pio Marmai.

En 2019, la comédienne sort du silence et accuse Christophe Ruggia, réalisateur des Diables, d'attouchements sexuels. Les faits se seraient déroulés quand elle était mineure, entre 12 et 15 ans. La jeune actrice crée ainsi un fort mouvement de libération de la parole dans le milieu du cinéma français, qui voit son apogée lors de la cérémonie des Césars 2020. Alors que le prix du meilleur réalisateur est remis à Roman Polanski pour J'accuse, Adèle Haenel, en colère, quitte la salle Pleyel en signe de protestation. L'actrice y était nommée pour sa performance dans Portrait de la jeune fille en feu, sa seconde collaboration avec la réalisatrice Céline Sciamma.

Adèle a aussi brillé aux côtés de Jean Dujardin dans le très barré Le Daim de Quentin Dupieux. Elle tiendra bientôt le premier rôle des Héros ne meurent jamais. Dans une rue de Paris, un inconnu croit reconnaitre en Joachim un soldat mort en Bosnie le 21 août 1983. Or, le 21 août 1983 est le jour même de la naissance de Joachim ! Troublé par la possibilité d’être la réincarnation de cet homme, il décide de partir pour Sarajevo avec ses amies Alice et Virginie. Dans ce pays hanté par les fantômes de la guerre, ils se lancent corps et âme sur les traces de la vie antérieure de Joachim.