Virginie Ledoyen rodó varios anuncios cuando era pequeña, sobre todo, para las marcas Buitoni e Air Inter, así como el videoclip "L'Aziza" de Daniel Balavoine. Con diez años, debuta en el cine en una película italiana titulada "Las hazañas de un joven Don Juan" ("Les Exploits d'un jeune Don Juan", 1987), pero es Philomène Esposito quien le ofrece su primer gran papel en 1991 con "Mima". Tras intervenir en "Mosca" ("Mouche"), la película inacabada de Marcel Carné, la adolescente destaca en "Las marmotas" ("Les Marmottes", 1993) de Elie Chouraqui y "El agua fría" ("L'Eau froide", 1994) de Olivier Assayas. Por ambas películas es candidata al César a la mejor actriz revelación.

Hija de buena familia en "La Ceremonia" ("La Cérémonie") de Claude Chabrol, despliega todos sus encantos en la piel de una cantante pop en "Heroínas" ("Héroïnes", 1997), dando el do de pecho en la comedia musical "Jeanne y el chico formidable" ("Jeanne et le garçon formidable", 1998), hechizando a Gérard Lanvin en "Corazón puro" ("En plein coeur", 1998) y en el remake de "En caso de desgracia" (no estrenada). En 1999, se convierte en la embajadora de la marca de maquillajes L'Oréal y logra la categoría de estrella dándole la réplica a Leonardo DiCaprio en la película de aventuras "La Playa" (2000) de Danny Boyle.

Se encuentra en su salsa tanto en el cine negro ("Del amor", "De l'amour", de Jean-François Richet) como en la comedia burlesca ("8 mujeres", "8 femmes", de François Ozon). Asimismo, se codea con Gérard Depardieu e Isabelle Adjani en "Feliz viaje" ("Bon voyage", 2003) y se lanza al género fantástico con "Santo Ángel" ("Saint-Ange", 2004). Tentada por una carrera internacional ("The Backwoods", "Love and Virtue"), la imagen de Virginie Ledoyen se asocia en Francia con la de una joven romántica, tal y como atestigua su trabajo en "La doble" ("La Doublure", 2006), "Un beso, por favor" ("Un baiser s'il vous plaît", 2007) y "Mis amigos, mis amores" ("Mes amis, mes amours", 2008).