Leïla Bekhti est née au sein d'une famille d'origine algérienne, originaire de Sidi Bel Abbès dans l'Ouest algérien, installée à Bagneux puis à Issy-les-Moulineaux. Elle est la benjamine de trois enfants. Après un baccalauréat littéraire (option Théâtre) obtenu au lycée Maurice Genevoix de Montrouge, elle prend pendant six mois des cours de théâtre au sein d'une école à Paris, sans véritable assiduité. Tout en effectuant divers petits boulots pour payer ses cours, dont celui de vendeuse dans une boutique de vêtements appartenant à son frère, elle intègre ensuite l'école Stéphane Gildas à Tolbiac, puis le cours de Bérengère Basty à l'Art'aire Studio.
En 2005, poussée par des amis, elle se rend au casting de Sheitan, film de Kim Chapiron avec Vincent Cassel, et y obtient le rôle de Yasmine, jeune beurette n'ayant pas froid aux yeux. Sorti en salles le 1er février 2006, le film, thriller français aux frontières du film d'horreur, est interdit aux moins de seize ans et reste treize semaines à l'affiche, réalisant près de 300 000 entrées.
Ce premier emploi lui vaut d'être remarquée. La même année, elle interprète, sous la direction d'Alain Tasma, le rôle de Leïla dans le téléfilm Harkis, avec Smaïn dans le rôle de son père. Elle en profite pour se plonger dans cette période trouble de l'histoire algérienne, renouant avec les origines de sa famille, dont plusieurs membres, notamment son grand-père, ont combattu dans les rangs du FLN.
Au cinéma, elle décroche successivement le rôle de Zarka dans Paris je t'aime (fragment Quais de Seine, réalisé par Gurinder Chadha) et celui de Mounia dans Mauvaise Foi, le premier film de Roschdy Zem où elle interprète la soeur de celui-ci. À la télévision, elle enchaîne coup sur coup le rôle de Djamila dans un épisode de la série Madame le Proviseur et celui de Valli Devailly dans la série Les Tricheurs, à laquelle elle participe jusqu'en 2009, aux côtés de
Pascal Legitimus.
Suivent Choisir d'aimer, moyen métrage de Rachid Hami (qui lui vaut un prix d'interprétation au Festival Silhouette 2008), Pour l'amour de Dieu, téléfilm de Ahmed Bouchaala et Zakia Tahri pour Arte, et Ali Baba et les 40 voleurs de Pierre Aknine (aux côtés de Gérard Jugnot), avant le long métrage de Nora Hamdi Des poupées et des anges, où son interprétation de Lya lui permet d'être présélectionnée pour le César du meilleur espoir féminin, même si elle n'est finalement pas retenue dans la liste des nommées.
En 2008, deux seconds rôles vont contribuer à accroître sa visibilité : celui de la fille du fellagha dans L'Instinct de mort, de Jean-François Richet, et surtout celui de Djamila dans le film Un prophète de Jacques Audiard. Ce dernier film, qui remporte neuf Césars, vaut à celle qui tient le seul rôle féminin du casting sa première montée des marches lors du Festival de Cannes 2009, où le film obtient le Grand Prix du Jury.
Parallèlement, elle tourne pour la télévision le Conte de la frustration du rappeur Akhenaton, avec Nicolas Cazalé et Roschdy Zem, un nouvel épisode des Tricheurs, et participe à la web-série Twenty Show, fruit d'un partenariat inédit entre Arte et MySpace, qui deviendra un film documentaire un an plus tard.
En 2009, outre un troisième volet de la série Les Tricheurs, son interprétation de Myriam dans Le choix de Myriam, une mini-série en deux épisodes de Malik Chibane (avec Medhi Nebbou et Anémone) qui narre, sur fond de saga familiale, l'arrivée en France de la première génération d'immigrés algériens, est saluée des deux côtés de la Méditerranée. Encore une fois, comme dans Harkis, ce rôle d'une mère courageuse la renvoie vers l'histoire de sa propre famille, et vers des origines dont elle se dit fière, même si elle réfute à l'avance l'idée d'être réduite à « l'Arabe de service ».
Mais 2009 est surtout l'année de sa rencontre, sur le grand écran, avec Géraldine Nakache. La comédienne, qui a repéré sa prestation de footballeuse impétueuse dans Mauvaise Foi, lui propose le rôle de Lila dans Tout ce qui brille, son premier long-métrage (co-réalisé avec Hervé Mimran, rencontré sur le tournage de Comme t'y es belle !, de
Lisa Azuelos), dont une première ébauche a été tournée en 2007 sous la forme d'un court métrage intitulé Mind the gap. Sorti le 24 mars 2010, le film, loué par une partie de la profession, obtient très vite un vrai succès public mais aussi critique, réalisant plus de 1,3 million d'entrées et vaut à Leïla d'obtenir le Swann d'Or de la révélation féminine 2010 au Festival du film de Cabourg.
En 2010, elle multiplie les tournages. Quatre ans après Harkis, elle retrouve ainsi Alain Tasma pour le téléfilm Vous êtes leur crainte (avec Samy Seghir et Anaïs Demoustier), inspiré du roman Ils sont votre épouvante et vous êtes leur crainte de Thierry Jonquet (paru aux Editions du Seuil en 2006). Elle donne également la réplique à Fred Testot dans Itinéraire bis de Jean-Luc Perréard et, outre Toi, moi, les autres..., une comédie musicale d'Audrey Estrougo (réalisatrice de Regarde-moi en 2007), sera de la distribution de Il reste du jambon ?, le premier film d'
Anne De Petrini.
Nommée ambassadrice du Printemps du Cinéma en mars 2010 aux côtés de Fabrice Luchini, elle entame en octobre, sous la direction de Radu Mihaileanu, le tournage de La source des femmes, au Maroc, aux côtés de Hafsia Herzi. Elle sera prochainement à l'affiche de L'Or Rouge, de Omar Bekhaled (également avec Hafsia Herzi), et de La Juve de Timgad, de Fabrice Benchaouch, avec Sami Bouajila et Maurice Bénichou.
Côté vie privée, Leila est en couple depuis plusieurs années avec l'acteur français d'origine algérienne Tahar Rahim, Leila a d'ailleurs épousé Tahar Rahim en septembre dernier.
En 2011, elle est à l'affiche du film Toi, moi, les autres.
Le 25 février 2011, elle remporte le César du meilleur espoir féminin, pour le rôle de l'impétueuse Lila dans Tout ce qui brille, de Géraldine Nakache et Hervé Mimran.