Narodila se a vyrostla v belgickém městě Namur. V roce 1990, když jí bylo patnáct let, začala chodit na hodiny komediálního herectví, které vedl Jean-Michel Frère a později s ním spolupracovala na divadelní hře SC35C. V roce 1992 navštěvovala kurzy dramatického umění pod vedením herce Jeana-Paula Denizona, který byl též asistentem britského režiséra Petera Brooka. Po úspěšném konkurzu na Divadelní a uměleckou konzervatoř v Lyonu, v letech 1995 až 1998 studovala komediální herectví. Po ukončení studia si jí všimla manažerka Dominique Besnehard z agentury Artmedia.

V roce 2000 se objevila jako pokladní v restauraci McDonald's v klipu „J'pète les plombs“ od rappera Disize. Filmový režisér a herec Richard Berry jí nabídl hlavní ženskou roli Laury v komedii L'Art (délicat) de la séduction z roku 2001. Na to úspěšně navázala titulní rolí ve filmu Irene a snímkem Cedrica Klapische Erasmus a spol., kde hrála společně s Romainem Durisem, Judith Godrèche, Audrey Tautou a Kelly Reilly. V tomto období též aktivně hrála v divadle, v krátkometrážních filmech a v televizních filmech.

Mezinárodní úspěch jí přinesl horor Noc s nabroušenou břitvou. V roce 2004 byla vybrána do hlavní ženské role Monique Laroche, impresionistické malířky, která se účastní dobrodružné cesty kolem světa společně s Phileasem Foggem (Steve Coogan) a Passepartoutem (Jackie Chan) v hollywoodské produkci filmu Cesta kolem světa za 80 dní, což je velmi volné převyprávění stejnojmenného románu spisovatele Julese Vernea z roku 1873. O rok později opět účinkovala v Klapischově snímku, a to v pokračování Erasmus 2. Též získala jednu z hlavních rolí ve francouzském muzikálu Alaina Berlinera, J'aurais voulu être un danseur (Chtěl bych být tanečníkem).

Rok 2006 pro Cécile de France přinesl tři velké filmy, a to hudební Sedadla v parteru, poté role po boku Gérarda Depardieu v oceňovaném dramatu Píseň pro tebe, a dále historické melodrama Tajemství, kde hrála společně s Patrickem Bruelem. Taktéž byla tváří finančně riskantnějších projektů, romantické komedie Nesprávná víra a kriminálního filmu Mon colonel, který vznikl v koprodukci Francie a Belgie. V roce 2008 se znovu shledala s Gérardem Depardieu v kriminálním filmu Veřejný nepřítel č.1, kde titulní roli ztvárnil Vincent Cassel.

V roce 2009 hrála postavu Jeanine Deckers v dramatu Stijna Coninxe Sœur Sourire. Také se objevila v hlavní roli thrilleru Gardiens de l'ordre režiséra Nicolase Boukhriefa. Nikdy ovšem nezanevřela na belgický film. Přijala nabídku bratří Malandrinů, aby si zahrála roli sportovní šampionky v psychologickém thrilleru Ruka bezhlavého. Film byl natočen již v roce 2006, ovšem do kin přišel až o čtyři roky později.

V roce 2011 se opět objevila v hollywoodském filmu, a to v thrilleru Clinta Eastwooda, Život po životě, kde se setkala s Mattem Damonem, Bryce Dallas Howard a Thierrym Neuvicem. V tom samém roce hrála ve filmu bratří Dardennů Kluk na kole. O rok později představovala Alici v dramatické komedii Un baiser papillon a také se znovu setkala s Xavierem Giannolim v satirickém filmu Superstar.

V roce 2013 se po narození svého druhého dítěte, dcery, vrátila na scénu ve dvou nákladných projektech, nejdříve v dramatu Möbius režiséra Érica Rochanta, kde hrála s Jeanem Dujardinem a Timem Rothem a poté v komedii Cedrica Klapische, Casse-tête chinois, kde hrála v roli Isabelle. Ve stejném roce se objevila v muzikálu založeném na písních Serge Gainsbourga, Anna.

V následujících letech hrála po boku Alberta Dupontela v dramatu En équilibre. V roce 2015 dostala hlavní roli v romantickém filmu Léto režisérky Catherine Corsini, v němž ztvárnila postavu venkovské dívky Delphine z regionu Limousin, která v Paříži naváže lesbické vztahy s feministkami, které hrají Izïa Higelin a Noémie Lvovsky.