Debutta al cinema giovanissima, nel 2001, scelta da Nanni Moretti per il ruolo di Irene ne “La stanza del figlio”. Due anni dopo è nel cast di “La meglio gioventù” di Marco Tullio Giordana, cui seguono nel 2005 “Manuale d’amore” di Giovanni Veronesi e “Romanzo Criminale” di Michele Placido.
Nanni Moretti la sceglie nuovamente nel 2006 per “Il Caimano”; l’anno successivo la vediamo in “Piano, solo” di Riccardo Milani, mentre nel 2009 vince il Premio Marcello Mastroianni a Venezia con “Il grande sogno” di Michele Placido.
Nel 2011 gira in Francia “L’Apollonide” di Bertrand Bonello, in concorso al Festival di Cannes (con il regista tornerà a lavorare in Saint Laurent), mentre due anni dopo è al Festival di Locarno con “Une autre vie” di Emmanuel Mouret. Nel 2013 è protagonista di “Un giorno devi andare” di Giorgio Diritti e di “Miele” di Valeria Golino, che le valgono il Nastro d’argento.

Nel 2015 è nel cast internazionale di “The Gunman” di Pierre Morel, con Sean Penn e Javier Bardem. Nello stesso anno interpreta “Nessuno si salva da solo” di Sergio Castellitto e “Maraviglioso Boccaccio” dei fratelli Taviani.
Dopo “Slam – Tutto per una ragazza” di Andrea Molaioli, nel 2017 è la protagonista di “Fortunata” di Sergio Castellitto, con cui vince a Cannes il Premio per l’interpretazione nella sezione Un Certain Regard, e poi il David di Donatello e il Nastro d’argento. L’anno successivo interpreta Ilaria Cucchi nel film “Sulla mia pelle” di Alessio Cremonini.
Nelle ultime stagioni appare – tra gli altri – in “Euforia” di Valeria Golino, “Croce e delizia” di Simone Godano (Globo d’oro come migliore attrice), “Simple Women” di Chiara Malta, “La Dea Fortuna” (David di Donatello e Nastro d’argento come migliore attrice protagonista), “Diamanti” di Ferzan Ozpetek, “The Story of My Wife” di Ildikó Enyedi, “Supereroi” di Paolo Genovese, “Profeti” di Alessio Cremonini, “La Nouvelle Femme” di Léa Todorov, e nelle serie “Supersex”, “La Storia” e “L’Arte della Gioia”.

Nel 2018 esordisce a teatro nello spettacolo “La Maladie de la mort”, per la regia di Katie Mitchell, mentre nel 2020 firma il suo primo corto da regista, “BMM – Being My Mom”, in concorso nella sezione Orizzonti alla Mostra Internazionale d’Arte Cinematografica di Venezia, seguito dall’esordio nel lungometraggio, “Marcel!”, in selezione ufficiale al 75° Festival di Cannes.
Nel 2025 interpreta “La Gioia” di Nicolangelo Gelormini, “Illusione” di Francesca Archibugi, “Gli occhi degli altri” di Andrea De Sica, “L’Estranea” di Paolo Strippoli e “Succederà questa notte” di Nanni Moretti.