En 1994, ganó el primer premio del Conservatorio de Arte Dramático de Orleáns. Y comenzó a intervenir en series televisivas como Highlander o Extrême Limite, y más tarde en el cine con la película La Belle Verte, aunque fue con Taxi con guión de Luc Besson y dirigida por Gérard Pirès con la que se dio conocer al gran público y que le supuso su primera nominación al César a la mejor actriz revelación. Su papel en esta película le sirvió para trabajar en producciones como La Mouette o Les Jolies Choses, con la que obtuvo una nueva nominación a los Premios César, consiguiendo en 2005 ganar el César a la mejor actriz de reparto por Largo domingo de noviazgo, de Jean-Pierre Jeunet. En 2007, interpreta a Édith Piaf en el film de Olivier Dahan La vida en rosa, ganando el Oscar a la mejor actriz en 2008. En el 2009, interpretó a Evelyn (Billy) Frechette, la novia de John Dillinger en el film Enemigos públicos donde demuestra una gran solidez actoral. Actualmente mantiene una relación con el actor francés Guillaume Canet, desde finales de 2007. Anteriormente él había estado casado con la actriz alemana Diane Kruger(Troya). El 15 de marzo de 2010 Marion recibió la Medalla de la Orden de la Artes y las Letras de Francia.