Dcera slavných rodičů Marcella Mastroianniho a Catherine Denevuve. Její první významnou rolí byla Anne ve filmu Mé oblíbené období (1993, r. A. Téchiné), kde si zahrála po boku své matky. Se svým otcem se společně objevila ve filmech) Tři životy a jen jedna smrt (1996, r. R. Ruiz) a Pret-a-Porter (1994, r. R. Altman). Hrála například ve filmech Nezapomeň, že zemřeš (1995, r. X. Beauvois), v proustovské adaptaci Čas znovu nalezený (1999, r. R. Ruiz), milostné romanci Píseň o lásce (2007, r. Ch. Honoré), ve filmu Vánoční příběh (2008, r. A. Desplechin) nebo Milovaní (2011, r. Ch. Honoré). Namluvila také hlavní postavu v animovaném filmu Persepolis podle komiksu Marjane Satrapi (2007).