Marion Cotillard pochází z umělecké rodiny. Otec Jean-Claude Cotillard je herec, pedagog a bývalý mim, matka Niseema Theillaud je herečka a divadelní pedagožka. Marion má dva mladší bratry - dvojčata Guillauma a Quentina. Quentin Cotillard je sochař a malíř, Guillaume Cotillard je scenárista a režisér.
Marion Cotillard od mala zbožňovala přírodu, proto vystudovala ekologii a vstoupila do organizace Greenpeace. Na přání rodičů během studia navštěvovala kurzy herectví a štěstí u filmu začala zkoušet v roce 1994. Prvním dílčím úspěchem byla role ve francouzské komedii Nádherná Zelená (La belle verte) z roku 1996.
Ve známost vešla díky roli v bláznivé komedii Taxi (1998) režiséra Gérarda Pirése. Do světa filmu však Marion Cotillard nesmazatelně zapsala role v Edith Piaf (2007), kde věrohodně ztvárnila legendární francouzskou zpěvačku. Za tuto roli získala ocenění BAFTA, Zlatý glóbus, Český lev i Oscara.
Marion Cotillard je po Sophie Loren první cizinkou (nerodilou Američankou či Britkou), která dostala Oscara za hlavní roli. Díky úspěchu na filmovém plátně se Marion stala tváří reklamní kampaně firmy Dior, na kabelky řady Lady Dior. Objevila se na více než 200 obálkách časopisů celého světa, mezi nimi byly například Vogue, Elle, Marie Claire či Harper's Bazaar.
V roce 2009 si Marion Cotillard zahrála po boku Johnnyho Deppa ve filmu Veřejní nepřátelé, o rok později se ve veleúspěšném snímku Počátek sešla s Leonardem DiCapriem. V roce 2011 Marion natočila populární romantickou komedii Půlnoc v Paříži.
V roce 2016 Marion Cotillard natočila film Spojenci (Allied), kde s Bradem Pittem hrají mileneckou dvojici. Americký magazín Star napsal, že i členové štábu měli podezření, že herci lásku jen nehrají. Fanoušci a média tak spekulují, že právě Marion Cotillard stojí za rozvodem Pitta a Angeliny Jolie.