Elle naît à Paris, mais passera toute son enfance à Aubervilliers dans une famille de restaurateurs. Elle a un frère Michael né en 1980 et une grand-mère paternelle, actrice amateur dont elle prendra le nom de jeune fille comme pseudonyme.
Virginie Ledoyen vit actuellement en couple avec l'acteur franco-marocain Arié Elmaleh avec qui elle a un enfant.
En 1979, elle débute sa carrière d'actrice (à l'âge de 3 ans) en participant à des publicités pour, entre autres, Bledina, Buitoni ou Air Inter.
En 1986, elle apparait dans le clip de Sauver l'amour de Daniel Balavoine, et la même année elle intègre l'école du spectacle des enfants de Paris.
En 1987, elle tourne son premier film au cinéma, à l'âge de 10 ans, avec le film italien Les Exploits d'un jeune Don Juan de Gianfranco Mingozzi, puis elle enchaîne une carrière d'actrice de cinéma.
En 1991, à l'âge de 14 ans, elle est choisie par Philomène Esposito pour jouer le rôle principal du film Mima, qui lui vaut les éloges des critiques pour son talent et son charisme d'actrice. Quelques mois plus tard, elle joue avec
Marcello Mastroianni et
Michel Piccoli dans Le Voleur d'enfants de
Christian de Chalonge.
En 1993, elle est nommée pour le César du cinéma du meilleur jeune espoir féminin pour sa prestation dans
Les Marmottes de
Élie Chouraqui.
Sa rencontre avec
Olivier Assayas, avec qui elle tourne deux films, est déterminante dans sa carrière. Avec L'Eau froide, elle comprend qu'elle veut être actrice.
En 1999, elle devient ambassadrice et égérie de la marque de cosmétiques L'Oréal.
En 2000, elle tourne dans
La Plage de
Danny Boyle, sur les îles Phi Phi en Thaïlande aux côtés de
Leonardo DiCaprio et de
Guillaume Canet.
En 2004, elle joue dans un film d'épouvante français,
Saint Ange, réalisé par
Pascal Laugier.
En 2007, elle joue avec Arié Elmaleh dans la pièce de théâtre Irrésistible de
Fabrice Roger-Lacan, mise en scène par
Isabelle Nanty.
En 2009, elle tourne aux côtés de
Simon Abkarian et
Jean-Pierre Darroussin dans la fresque historique L'Armée du crime de Robert Guédiguian, sur la résistance du groupe Manouchian contre la France de Vichy.
En 2010, elle devient égérie de la marque IKKS au côté de
Vincent Perez.
- 1986 : Les Exploits d'un jeune Don Juan, de Gianfranco Mingozzi
- 1988 : La Vie en panne, de Agnès Delarive (mini-série TV)
- 1991 : Mima, de Philomène Esposito
- 1991 : Le Voleur d'enfants, de Christian de Chalonge
- 1991 : Mouche, de Marcel Carné (inachevé)
- 1993 : Les Marmottes, de Elie Chouraqui
- 1994 : La Folie douce, de Frédéric Jardin
- 1994 : La Vie de Marianne de Benoît Jacquot
- 1994 : La Règle de l'homme de Jean-Daniel Verhaeghe (TV)
- 1994 : L'Eau froide, d'Olivier Assayas (TV)
- 1995 : La Cérémonie de Claude Chabrol
- 1995 : La Fille seule, de Benoît Jacquot
- 1995 : Les Sensuels, de Michel Marx (TV)
- 1996 : Sur la route, d'Antoine Santana
- 1996 : Mahjong, de Edward Yang
- 1997 : Marianne, de Benoît Jacquot
- 1997 : Héroïnes, de Gérard Krawczyk
- 1997 : Ma 6-T va crack-er, de Jean-François Richet
- 1998 : En plein coeur, de Pierre Jolivet
- 1998 : Fin août, début septembre, d'Olivier Assayas
- 1998 : Jeanne et le garçon formidable, de Olivier Ducastel et Jacques Martineau
- 1998 : La fille d'un soldat ne pleure jamais de James Ivory
- 2000 : Les Misérables de Josée Dayan (TV)
- 2000 : La Plage, de Danny Boyle, avec Leonardo DiCaprio
- 2001 : De l'amour, de Jean-François Richet
- 2002 : Huit Femmes de François Ozon où elle joue le rôle de Suzon et chante Toi mon amour, mon ami, de Marie Laforet
- 2003 : Mais qui a tué Pamela Rose ? d'Eric Lartigau
- 2003 : Bon voyage, de Jean-Paul Rappeneau
- 2004 : Saint Ange, de Pascal Laugier
- 2004 : Gang de requins, d'Eric Bergeron (voix de Lola)
- 2005 : Holly, de Guy Moshe
- 2006 : La Doublure, de Francis Veber
- 2006 : The Backwoods, de Koldo Serra
- 2006 : La forteresse assiégée de Gérard Mordillat (TV)
- 2007 : Un baiser s'il vous plaît, de Emmanuel Mouret
- 2008 : Mes amis, mes amours, de Lorraine Lévy
- 2008 : L'Emmerdeur, de Francis Veber
- 2009 : Myster Mocky présente de Jean-Pierre Mocky (série TV, 1 épisode)
- 2009 : L'Armée du crime de Robert Guédiguian
- 2010 : Tout ce qui brille de Géraldine Nakache et Hervé Mimran
- 2010 : Ailleurs de Valérie Müller
- 2010 : Au nom du Père, documentaire de Christian Blanchas et Stéphane Bonnotte (France 4)