Bambina prodigio dello star system, ha iniziato a sfilare a nove anni e nel 1989 è apparsa per la prima volta sul grande schermo in "Voglio tornare a casa" di Alain Resnais e "Les Maris, les femmes, les amants" di Pascal Thomas. Nel 1990 ha avuto una parte nel kolossal "Cyrano de Bergerac" mentre successivamente ha recitato soprattutto in film per la televisione.
Ludivine Sagnier è stata la protagonista di due film presentati al Festival di Cannes del 2003, ovvero "La petite Lili" e "Swimming Pool", realizzati nello stesso anno.
Grazie alla stretta alleanza col giovane ma già famoso regista francese François Ozon, per il quale ha recitato in molti film: "Gocce d'acqua su pietre roventi", "8 donne e un mistero" e "Swimming Pool", Ludivine Sagnier è oggi tra le attrici francesi più apprezzate e note al pubblico.
Sempre nel 2003 ha interpretato nel "Peter Pan" di P.J. Hogan il personaggio di Campanellino, personaggio interamente mimico grazie a cui Ludivine ha sfoggiato tutta la sua abilità e la sua genialità comica.
Altri film nella sua carriera: "L'innocenza del peccato" (La fille coupée en deux), regia di Claude Chabrol (2006); "Le avventure galanti del giovane Molière", regia di Laurent Tirard (2007); "Un secret", regia di Claude Miller (2007); "Nemico pubblico N. 1 - L'istinto di morte", regia di Jean-François Richet (2008); "Nemico pubblico N. 1 - L'ora della fuga", regia di Jean-François Richet (2008); "Pieds nus sur les limaces", regia di Fabienne Berthaud (2009); "Crime d'amour", regia di Alain Corneau (2010); "Les Bien-aimés", regia di Christophe Honoré (2011) e "The Devil's Double", regia di Lee Tamahori (2011).