2005–2007

Seydoux berkata sebagai kanak-kanak, beliau ingin menjadi seorang penyanyi opera. Beliau kemudiannya mempelajari muzik di Conservatoire de Paris tetapi sifat pemalunya menyebabkan beliau melupakan cita-cita tersebut.[9][10] Beliau mengambil keputusan untuk menjadi seorang pelakon ketika berusia lapan belas tahun.[11] Beliau mengambil kelas lakonan di Les Enfants Terribles dan pada tahun 2007 beliau mengambil latihan lanjutan di Actors Studio bersama-sama Corinne Blue.

Pada tahun 2005, Seydoux muncul dalam video muzik Raphaël untuk lagu "Ne partons pas fâchés". Pada tahun berikutnya, Seydoux melakonkan peranan lakonan pertamanya sebagai salah seorang karakter utama dalam filem arahan Sylvie Ayme, Girlfriends (Mes copines). Beliau membintangi filem pendek arahan Nicolas Klotz, La Consolation yang ditayangkan di Festival Filem Cannes 2007.[12] Semasa tahun-tahun ini, beliau juga bekerja sebagai seorang model untuk American Apparel.[13] Beliau juga mempunyai peranan dalam filem 13 French Street dan The Last Mistress.[9]

2008–2012

Seydoux mula mendapat perhatian pada tahun 2008[14] apabila beliau muncul dalam filem arahan Christophe Honoré, The Beautiful Person, peranan yang mendapatkan beliau Anugerah Chopard 2009 di Festival Filem Cannes untuk "Pelakon Wanita Baru Terbaik" dan pencalonan Anugerah César untuk Pelakon Wanita Harapan.[9] Pada tahun 2009, beliau mempunyai peranan utama dalam filem arahan Jessica Hausner, Lourdes,[9] dan peranan kecil dalam filem Hollywood pertamanya, arahan Quentin Tarantino, Inglourious Basterds. Pada tahun 2010, beliau membintangi bersama-sama Russell Crowe dalam filem arahan Ridley Scott, Robin Hood. Beliau melakonkan watak melakonkan watak Isabella dari Angoulême. Filem-filem beliau yang lain pada ahun tahun 2010 termasuk Petit Tailleur dan Belle Épine yang mendapatkan beliau pencalonan César keduanya untuk Pelakon Wanita Harapan.

Seydoux menjalani ujian untuk watak Lisbeth Salander dalam The Girl With the Dragon Tattoo tetapi peranan tersebut diberikan kepada Rooney Mara.[10] Seydoux kemudiannya dipilih untuk melakonkan watak Gabrielle dalam Midnight in Paris. Pada tahun 2011, beliau mempunyai peranan dalam satu lagi filem Hollywood, Mission: Impossible – Ghost Protocol dimana beliau melakonkan watak Sabine Moreau. Filem ini juga dibintangi Tom Cruise dan Jeremy Renner.

Selepas Mission: Impossible, Seydoux kembali ke sinema Perancis, membintangi My Wife's Romance (Le Roman de ma femme) dan Roses à crédit pada tahun 2011. Beliau mempunyai peranan dalam filem yang menrima pujian meluas, Farewell, My Queen dan Sister pada tahun 2012. Juga pada tahun itu, Seydoux mempunyai peranan dalam filem arahan Abdellatif Kechiche, Blue Is the Warmest Colour dan filem arahan Rebecca Zlotowski, Grand Central. Kedua-dua filem ini ditayangkan di Festival Filem Cannes ke-66.

2013–sekarang

Pada tahun 2013, Seydoux dicalonkan Pelakon Wanita Terbaik di Anugerah César ke-38 untuk lakonan sebagai Sidonie Laborde dalam Farewell, My Queen. Kemudiannya pada tahun itu di Cannes, Blue Is the Warmest Colour memenangi Palme d'Or dan juri-juri diketuai oleh Steven Spielberg, mengambil langkah luar biasa dengan bukan sahaja memberi anugerah ini kepada Abdellatif Kechiche tetapi juga kepada dua bintang filem ini, Seydoux dan Adèle Exarchopoulos.[11][15].[11]

Pada tahun 2014, Seydoux memenangi anugerah Pelakon Wanita Terbaik di Anugerah Lumières ke-19 untuk peranannya dalam Blue Is the Warmest Colour dan Grand Central. Beliau dicalonkan Anugerah Bintang Meningkat Naik BAFTA dan Anugerah César untuk Pelakon Wanita Terbaik pada tahun yang sama.

Seydoux membintangi bersama-sama Vincent Cassel dalam filem arahan Christophe Gans, Beauty and the Beast. Filem-filem lainya pada tahun 2014 adalah filem arahan Wes Anderson, The Grand Budapest Hotel dimana beliau membuat penampilan kameo dan filem arahan Bertrand Bonello, Saint Laurent sebagai Loulou de la Falaise.

Pada tahun 2015, Seydoux membintangi bersama-sama Vincent Lindon dalam Diary of a Chambermaid, sebuah filem berdasarkan novel Octave Mirbeau bertajuk Le Journal d'une femme de chambre. Ia merupakan kolaborasi keduanya bersama Benoît Jacquot selepas filem tahun 2012, Farewell, My Queen.[16] Walaupun filem ini menerima ulasan bercampur di Festival Filem Antarabangsa Berlin ke-65, lakonan Seydoux diterima dengan baik oleh pengkritik.

Seydoux muncul bersama-sama Colin Farrell dan Rachel Weisz dalam filem arahan Yorgos Lanthimos, The Lobster (2015). Filem ini dibuka di Festival Filem Cannes 2015 dimana ia memenangi Anugerah Juri.[17] Beliau juga muncul sebagai Madeleine Swann, gadis Bonda dalam Spectre, filem James Bond ke-24.[3]

Seydoux dijadual akan muncul dalam filem arahan Xavier Dolan, It's Only the End of the World[18] dan dalam filem adiwira tahun 2017, Gambit sebagai Bella Donna Boudreaux.[19]