Enfant, Virginie Ledoyen apparaît dans des spots publicitaires, notamment pour les marques Buitoni et Air Inter, et dans le vidéo clip L'Aziza de Daniel Balavoine. A dix ans, elle débute au cinéma dans un film italien intitulé Les Exploits d'un jeune Don Juan (1987). C'est Philomene Esposito qui lui offre son premier grand rôle en 1991 avec Mima. Elle tourne ensuite dans Mouche, le film inachevé de Marcel Carné, puis sous la direction d'Elie Chouraqui dans Les Marmottes (1993) et d'Olivier Assayas dans L'Eau froide (1994), deux interprétations pour lesquelles elle est nominée aux César.Fille de bourgeois dans La Cérémonie de Claude Chabrol, elle déploie ses charmes en incarnant une chanteuse pop dans Héroines (1997), en poussant la chansonnette dans la comédie musicale Jeanne et le garçon formidable (1998) et en envoûtant Gérard Lanvin dans le remake de En cas de malheur, intitulé En plein coeur (1998).Devenue ambassadrice pour la marque de cosmétiques L'Oréal en 1999, elle se retrouve propulsée aux côtés de Leonardo DiCaprio en tête d'affiche du film d'aventure La Plage de Danny Boyle. Faisant preuve d'éclectisme, elle se montre aussi bien à l'aise dans le film noir (De l'amour de Jean-Francois Richet) que dans la comédie burlesque (8 femmes de François Ozon).Accédant au statut de star, elle se retrouve à côtoyer Gérard Depardieu et Isabelle Adjani pour les besoins de Bon voyage (2003), un film de Jean-Paul Rappeneau se déroulant dans la France occupée des années quarante. Elle effectue ensuite sa première plongée dans le fantastique en donnant la réplique à Lou Doillon dans le surnaturel Saint-Ange (2004).
Tentée par une carrière internationale (The Backwoods, Love and Virtue), Virginie Ledoyen reste souvent associée en France à l'image d'une jeune femme romantique comme en témoignent ses prestations dans La Doublure (2006), Un baiser s'il vous plaît (2007) et Mes amis, mes amours (2008).
Les années suivantes, la belle Virginie continue de s'illustrer dans diverses productions aux tonalités éclectiques : comédie avec L'Emmerdeur, film de guerre dans L'Armée du crime, la comédienne aux multiples casquettes va même jusqu'à jouer les pestes bourgeoises dans le succès inattendu de 2010, Tout ce qui brille. Après avoir tenu un rôle récurrent dans la série XIII, elle retrouve Benoît Jacquot en 2012 pour un film historique en costumes intitulé Les Adieux à la reine.
Virginie Ledoyen plonge ensuite dans l'univers d'Emmanuel Mouret avec Une autre vie (2014) où elle interprète l'épouse trahie de JoeyStarr. La même année, on peut la voir dans Ablations, le premier film d'Arnold de Parscau, un thriller sur le trafic d'organe dans lequel la comédienne campe la femme de Denis Ménochet.
En 2015, c'est au casting d'un autre premier film, celui d'Enragés d'Eric Hannezo, qu'on la retrouve en compagnie notamment de Lambert Wilson. Virginie Ledoyen incarne une otage kidnappée par quatre criminels après un braquage qui a mal tourné. Trois ans plus tard, la comédienne de 41 ans donne la réplique à Axelle Laffont et Marie-Josée Croze dans MILF, qui voit trois femmes approchant de la quarantaine devenir le fantasme de trois jeunes garçons...
