Seydoux dilahirkan pada tahun 1985, anak perempuan kepada ahli perniagaan, Henri Seydoux dan dermawan, Valérie Schlumberger. Beliau dilahirkan di Passy, Paris tetapi membesar di Saint-Germain-des-Prés. Beliau mempunyai lima orang adik dan seorang kakak, Camille.[4] Ibu-bapanya berketurunan Alsatian. Bapa beliau adalah cicit kepada ahli perniagaan dan pencipta terkenal, Marcel Schlumberger manakala ibu beliau adalah cucu kepada abang Marcel, Maurice Schlumberger.[5][6] Ibu-bapa Seydoux bercerai ketika beliau berumur tiga tahun.[7]

Keluarga Seydoux sangat dikenali di Perancis. Datuk beliau, Jérôme Seydoux ialah pengerusi Pathé;[8] datuk saudara beliau, Nicolas Seydoux, ialah pengerusi Syarikat Filem Gaumont;[8] datuk saudara beliau yang lain, Michel Seydoux, merupakan seorang penerbit filem dan merupakan pengerusi kelab bola sepak, Lille OSC. Bapa beliau merupakan CEO syarikat Perancis, Parrot.[7] Ibu beliau, Valérie Schlumberger ialah bekas pelakon dan pengasas butik CSAO (Compagnie d'Afrique du Sénégal et de l'Afrique de l'ouest). Seydoux pernah menjadi model untuk jenama barang kemas mereka, Jokko.