Née d'un père chirurgien-dentiste, Bernard Tautou, et d'une mère enseignante, Evelyne Tautou, ancienne adjointe au maire de Montluçon, devenue conseillère municipale, et actuellement vice-présidente de l'agglomération de Montluçon chargée de la culture et PDG du centre des Congrès et de la Culture Athanor, Audrey Tautou a été prénommée ainsi en hommage à
Audrey Hepburn, comme elle l'a découvert en demandant l'origine de son prénom à ses parents à la suite de l'insistance des journalistes à ce sujet (cf. En Aparté, saison 2005-2006). Elle passa son enfance et son adolescence à Montluçon (Allier, Auvergne) avec ses deux soeurs et son frère.
Elle a fait une première année de Lettres modernes. On lui prête une prime vocation de primatologue, qu'elle laissera de côté pour suivre une formation au Cours Florent après avoir décroché son baccalauréat avec une mention « bien ».
Cependant elle reste passionnée par les singes, ce qui motive notamment certains de ses nombreux voyages et lectures.
Après quelques apparitions dans des téléfilms et des courts métrages, elle décroche son premier rôle important au cinéma à 22 ans dans le film de
Tonie Marshall, Vénus beauté (institut). Sa prestation lui vaudra la reconnaissance de la profession, puisqu'elle remporte le César du meilleur espoir féminin 2000.
Sa carrière décolle réellement alors qu'elle incarne Amélie, l'héroïne du film de
Jean-Pierre Jeunet Le fabuleux destin d'Amélie Poulain (2001). Le succès international du film, la fraîcheur candide du personnage d'Amélie, sa pétulance et sa « beauté fragile » vont révéler Audrey au niveau mondial.
Dès lors, elle va enchaîner les premiers rôles, et on pourra la voir par exemple dans L'Auberge espagnole de
Cédric Klapisch, Pas sur la bouche, d'
Alain Resnais, et Un long dimanche de fiançailles, de Jean-Pierre Jeunet. Elle est courtisée par des réalisateurs étrangers, tourne avec
Stephen Frears et Amos Kollek ainsi que dans la superproduction américaine Da Vinci Code, de
Ron Howard, tiré du roman de Dan Brown.
Elle joue ensuite dans l'adaptation cinéma d'Ensemble, c'est tout le best-seller d'Anna Gavalda. Dans ce film réalisé par
Claude Berri, elle partage l'affiche avec
Guillaume Canet.
Elle était, jusqu'en décembre 2008, la compagne de Matthieu Chedid surnommé "M". En 2009, elle devient l'image du parfum le plus mythique : Chanel N°5, dans un film de 2 mn 25 s réalisé par
Jean-Pierre Jeunet et une campagne photo signée Dominique Issermann.
2010 marquera l'année où, pour la première fois, Audrey joue dans une pièce de théâtre, Une maison de poupée d'Henrik Ibsen, mise en scène par Michel Fau et représentée au théâtre de la Madeleine à Paris. En parallèle, elle tourne dans le clip de Charlie Winston I love your smile.