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), mais c'est Philomène Esposito qui lui offre son premier grand rôle en 1991 avec Mima. Après avoir joué dans Mouche, le film inachevé de Marcel Carné, l'adolescente s'illustre dans Les Marmottes (1993) d'Elie Chouraqui et L'Eau froide (1994) d'Olivier Assayas, deux prestations pour lesquelles elle est nommée aux César du Meilleur espoir féminin.
Fille de bonne famille dans La Cérémonie de Claude Chabrol, elle déploie ses charmes en incarnant une chanteuse pop dans Héroïnes (1997), en poussant la chansonnette dans la comédie musicale Jeanne et le garçon formidable (1998) et en envoûtant Gérard Lanvin dans En plein coeur (1998), le remake de En cas de malheur (id.). Devenue ambassadrice pour la marque de cosmétiques L'Oréal en 1999, elle se trouve propulsée au rang de star en donnant la réplique à Leonardo DiCaprio dans le film d'aventure La Plage (2000) de Danny Boyle.
Aussi à l'aise dans le film noir (De l'amour de Jean-Francois Richet) que dans la comédie burlesque (8 femmes de François Ozon), elle côtoie Gérard Depardieu et Isabelle Adjani pour les besoins de Bon voyage (2003) et s'essaye au fantastique dans 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).
