Ophélie Bau se lance dans des études d'infirmière à Montpellier avant d'intégrer le Cours Florent dans le but de devenir comédienne. Alors qu'elle tente sa chance pour un petit rôle dans la série de France 2 Candice Renoir, la jeune femme est repérée par la directrice de casting d'Abdellatif Kechiche. Si elle n'a pas été retenue pour le show policier, elle a tapé dans l'oeil du réalisateur qui souhaite la rencontrer.

Ce dernier, séduit par le naturel de cette beauté plantureuse, lui offre un des rôles principaux du sulfureux Mektoub My Love, Canto Uno. L'actrice y campe l'incandescente Ophélie Padovani, dont le meilleur ami, Amin (joué par Shaïn Boumedine), est secrètement amoureux. La performance de la jeune actrice marque les esprits, si bien qu'elle se voit nommée pour le César du meilleur espoir féminin en 2019.

Ophélie Bau poursuit sa carrière de manière discrète, mais décroche tout de même des rôles marquants. Elle incarne, dans le glaçant Vaurien, une jeune femme au caractère bien trempé vivant dans un squat, qui s'éprend d'un homme séduisant s'avérant être un tueur en série (Pierre Deladonchamps). En 2022, on la voit dans le drame Des feux dans la nuit, se déroulant dans un village de pêcheurs au 16ème siècle.

Cette même année, la native de Besançon est au casting de la série policière BRI, nouvelle Création Originale CANAL+, qui réunit une jeune génération d'acteurs tels que Rabah Naït Oufella, Sofian Khammes, et Théo Christine aux côtés d'Emmanuelle Devos et Vincent Elbaz.