Ludivine Sagnier est née le 3 juillet 1979 à La Celle-Saint-Cloud dans les Yvelines. Très tôt, à l'âge de 7 ans, Ludivine Sagnier se passionne pour les planches et prend des cours de théâtre.
En 1988, alors âgée de 9 ans, Ludivine Sagnier qui accompagne sa grande sœur à un casting est remarquée par Pascal Thomas qui la choisit dans Les Maris, Les Femmes, Les Amants.
Après huit ans de cours de théâtre à Sèvres, Ludivine Sagnier rentre au Conservatoire d'art dramatique de Versailles en 1994, et y remporte les premiers prix au concours classique et au concours moderne. Parallèlement, Ludivine Sagnier fait régulièrement des apparitions furtives sur le petit écran. Entre la Famille Fontaine et les petits rôles dans de nombreux téléfilms, Ludivine Sagnier se forge peu à peu un nom qui ne peu laisser indifférent la profession. Elle apparaît notamment dans Acide animé de Guillaume Bréault, qui lui vaut le Lutin de la Meilleure comédienne en 1999 pour cette interprétation remarquée.
Les rôles s'enchaînent pour Ludivine Sagnier auprès d'acteurs de renom. Après Rembrandt et Les Enfants Du Siècle en 1999, Ludivine Sagnier décroche cette même année son premier grand rôle et tourne sous la direction remarquable de François Ozon dans Gouttes D’Eau Sur Pierres Brûlantes.
Sa carrière lancée, Ludivine Sagnier s'ouvre à l'Europe dans Bon Plan (2000) avant d'incarner la nounou d'un couple dans Jeu D'Enfants (2001),
Durant l'année 2001, Ludivine Sagnier tourne une sympathique histoire d'amour auprès du couple Charlotte Gainsbourg/Yvan Attal dans Ma femme est une actrice.
En 2002, Ludivine Sagnier retrouve sa bonne étoile en la personne de François Ozon dans le huis-clos 8 Femmes, où l'actrice fétiche nous offre un jeu diaboliquement audacieux aux côtés des plus grandes stars du cinéma français telles Catherine Deneuve et Fanny Ardant.
L'année suivante, Ludivine Sagnier renoue avec le seul réalisateur sachant la percevoir et l'orchestrer comme quiconque, dans le thriller Swimming pool.
En 2003, elle obtient les prix Romy Schneider et Jean Gabin.
Ludivine Sagnier devient La Petite Lili (2003) de Claude Miller puis débute une carrière internationale en incarnant la fée Clochette dans Peter Pan sous la direction de P.J. Hogan.
De retour au pays, Ludivine fait la rencontre sur leplateau d'Une Aventure (2005), de Nicolas Duvauchelle, dont elle aura un enfant prénomé Bonnie.

Laurent Tirard lui offrira le rôle de la jeune ingénue dont Fabrice Luchini tombera éperdument amoureux à s'en rendre pathétique auprès de Romain Duris dans Molière.
Cette même année, elle sera l'un des rôles principaux de la comédie musicale de Christophe Honoré Les Chansons D'Amour avec Louis Garrel et Clothilde Hesme et sera dirigée par Claude Chabrol pour La Fille Coupée En Deux, aux côtés de Benoît Magimel et François Berléand.

En 2008, ellle fera partie de la grande aventure cinématographique consacrée à Mesrine en jouant sa dernière compagne.
Deux ans plus tard, Alain Corneau lui donne le premier rôle dans le thriller "Crime D'Amour" au côté de Kristin Scott Thomas.
Elle partage l'affiche du film "Pieds Nus Sur Les Limaces" avec Diane Krüger en 2010.

Ludivine Sagnier retrouve Christophe Honoré en 2011 pour le film Les Bien-aimés qui sera présenté en Clôture Hors Compétition du 64ème Festival International Du Film De Cannes 2011.

Ludivine Sagnier prête sa voix dans les dessins animés La Cour De Récré : Vive Les Vacances ! (2001), La Légende De Parva (2004) et Gang De Requins (2004) et un monstre à Paris (2012) aux côtés de M et Vanessa Paradis.