Après avoir étudié le théâtre au lycée, Leïla Bekhti enchaîne les petits boulots tout en cherchant à percer dans la comédie. Poussée par des amies, elle participe au casting de Sheitan, film de Kim Chapiron mettant en scène Vincent Cassel : elle décroche le rôle de Yasmine, jolie brunette audacieuse. Remarquée pour sa prestation, elle obtient des rôles dans le film collectif Paris, je t'aime (2005) et dans la première réalisation de Roschdy Zem, Mauvaise foi (2006). Sa carrière est lancée. Elle alterne ses prestations entre le cinéma et la télévision, jouant notamment aux côtés de Gérard Jugnot dans Ali Baba et les 40 voleurs (TV) . En 2008, la jeune femme s'illustre dans les deux grands polars français, Mesrine : L'Instinct de mort de Jean-Francois Richet où elle retrouve Vincent Cassel et Un prophète de Jacques Audiard, Grand Prix du jury au Festival de Cannes. Seul rôle féminin du casting, la demoiselle monte les Marches et se fait connaître du public. Repérée par Géraldine Nakache, elle crève l'écran dans Tout ce qui brille, succès public et critique qui lui offre en outre le Swann d’Or de la révélation féminine 2010 au Festival du Film de Cabourg. La même année, elle retrouve sa comparse au casting du premier film d’Anne Depetrini, la comédie Il reste du jambon ?. Parallèlement à ces productions grand public, Leïla Bekhti fréquente les plateaux plus intimistes de Radu Mihaileanu pour La source des femmes (2011), film se déroulant au Maghreb, dont elle est originaire.
Début 2012, elle est à l'affiche d'Une vie meilleure, drame de Cédric Kahn où elle se glisse dans la peau de la compagne d'un Guillaume Canet endetté jusqu'au cou. Cette même année, elle campe la fille policière de Roschdy Zem dans le polar Mains armées et se fait ensuite à nouveau diriger par Nakache dans Nous York.
Active, Leïla Bekhti tient le rôle principal du drame Maintenant ou jamais, en salles en septembre 2014, sur une mère de famille désespérée qui se lance dans des braquages de banques. L’année suivante, elle accompagne les débuts de Brigitte Sy avec L’Astragale, drame en noir et blanc où elle partage l’affiche avec l’acteur en vogue, Reda Kateb ; puis dans le premier long-métrage de l’humoriste Kheiron, Nous trois ou rien, qui raconte l’histoire vraie de ses parents et leur exil d’Iran. Enfin, l’actrice élargit son horizon dans la série franco-suédoise Jour Polaire, coproduite par Canal +, où elle incarne une agent de police chargée de mener une enquête sur une succession de meurtres violents, aux confins de la Laponie.
En 2018, Leïla Bekhti joue l'une des deux soeurs du thriller de Jérémie et Yannick Renier Carnivores, puis aide Fabrice Luchini après un AVC dans Un homme pressé. Décidément à l'aise dans des rôles dramatiques, elle campe aussi une mère de famille dans Chanson douce, adapté d'un terrifiant fait divers. La native d'Issy-les-moulineaux goûte également aux joies du film de super-héros comme en témoigne sa prestation dans Comment je suis devenu super-héros en 2021. Cette même année, on la voit en militaire participant à l'opération Sentinelle dans La Troisième guerre, et en compagne d'un homme bipolaire dans Les Intranquilles de Joachim Lafosse.
