Su padre es dentista y su madre es maestra. Tiene un hermano y dos hermanas, menores que ella. Desde niña, ha sentido fascinación por los primates.
Se interesó por la comedia a una temprana edad y comenzó a tomar cursos de arte dramático en la escuela de actuación Corus Florent. Además tomó cursos de modelaje en París, aunque se sintió insegura, continuó con el curso hasta terminarlo y lo consiguió
En 1998, Tautou participó en un casting en un canal de latelevisión francesa, llamado "Jeunes Premiers" donde ganó en la categoría de Mejor Actriz Joven en el 9° Festival de Béziers.
Después, participó en la película Venus Salón de Belleza, por la cual ganó un Premio César a la Mejor Actriz Revelación. En el año 2000, ganó el Prix Suzanne Bianchetti en su país por ser considerada la joven actriz más prometedora.
Siendo ya conocida en Francia por su trabajo en Venus Beauty Institute, en 2001, Tautou ganó fama a nivel mundial por su actuación como la excéntrica Amélie en la comedia romántica francesa Le Fabuleux Destin d'Amélie Poulain.
En Junio de 2004, fue invitada a unirse a la Academia de las Artes y las Ciencias Cinematográficas de Hollywood, de la cual es miembro desde el 1 de septiembre de 2006. En 2005, Tautou trabajó en su primera producción de Hollywood al lado de Tom Hanks en la adaptación cinematográfica de El Código Da Vinci, interpretando a la criptóloga Sophie Neveu. También trabajó al lado de Gal Elmaleh en Hors de prix.
En 2008 comenzó las grabaciones de la película Coco Chanel, la cual protagonizará siendo Madame Chanel.