Laure Calamy apprend le métier de comédienne au Conservatoire National Supérieur d'Art Dramatique de Paris. Elle en sort en 2001 et fait ses premiers pas dans Au monde comme n'y étant pas, d'Olivier Py, un de ses professeurs. Dans les années qui suivent, elle joue dans de nombreuses pièces classiques comme Le Menteur de Corneille, en 2004, ou plus contemporaines comme Dans la jungle des villes de Bertolt Brecht.
Après un rôle dans un court-métrage en 2001, Laure Calamy passe pour la première fois sur grand écran avec le film Les Bancs Publics de Bruno Podalydès. Elle continue à tourner pour le cinéma, principalement dans des comédies. Après avoir reçu un prix Jeanne Bazin pour son interprétation dans Un monde sans femmes, elle joue aux côtés de Fabrice Luchini dans Alceste à bicyclette en 2011.
Après avoir joué dans 9 mois ferme d'Albert Dupontel en 2013, son rôle dans La Contre-Allée, lui vaut un prix d'interprétation à Sundance en 2015. La même année, elle participe à la série télévisée Dix pour cent de Cédric Klapisch. En 2016, elle joue dans deux films présentés au festival de Cannes Rester Vertical d'Alain Guiraudie et Victoria de Justine Triet.
En 2021 elle reçoit le César de la meilleure actrice pour son rôle dans Antoinette dans les Cévennes.
