| Any | Títol | Paper | Notes |
|---|
| 1983 | Dorothée, danseuse de corde | | Televisió |
| Liberty Belle | La noia del rallye | |
| 1985 | Le Meilleur de la vie | Una amiga de Véronique al bar | |
| Rendez-vous | Nina/Anne Larrieux | Nominada −César a la millor actriu |
| Adieu Blaireau | Brigitte B. | |
| La Vie de Famille | Natacha | |
| Les Nanas | Antoinette | |
| Je vous salue, Marie | Juliette | |
| Fort bloqué | Nicole | Televisió |
| 1986 | Mauvais Sang | Anna | Nominada –César a la millor actriu |
| Mon beau-frère a tué ma soeur | Esther Bouloire | |
| 1988 | La insostenible lleugeresa del ser (The Unbearable Lightness of Being) | Tereza | |
| 1989 | Un tour de manège | Elsa | |
| 1991 | Les Amants du Pont-Neuf | Michèle Stalens | Nominada –César a la millor actriu |
| Women & Men 2 | Mara | Televisió |
| 1992 | Ferida (Damage) | Anna Barton | Nominada −César a la millor actriu |
| Cims borrascosos (Wuthering Heights) | Cathy Linton / Catherine Earnshaw | |
| 1993 | Tres colors: Blau (Trois Couleurs: Bleu) | Julie Vignon (de Courcy) | Copa Volpi per la millor interpretació femenina César a la millor actriu Nominada −Globus d'Or a la millor actriu dramàtica |
| 1994 | Tres colors: Blanc | Julie Vignon (de Courcy) | |
| Tres colors: Vermell | Julie Vignon (de Courcy) | |
| 1995 | Le hussard sur le toit | Pauline de Théus | Nominada −César a la millor actriu |
| 1996 | El pacient anglès (The English Patient) | Hana | Oscar a la millor actriu secundària Os de Plata a la millor interpretació femenina BAFTA a la millor actriu secundària Nominada –Globus d'Or a la millor actriu secundària |
| Un divan a Nova York (Un divan à New York) | Beatrice Saulnier | |
| 1998 | Alice et Martin | Alice | |
| 1999 | Children of the Century | George Sand/Baronessa Aurore Dudevant | |
| 2000 | Chocolat | Vianne Rocher | Nominada −Oscar a la millor actriu Nominada –Globus d'Or a la millor actriu musical o còmica Nominada –BAFTA a la millor actriu |
| Code Unknown | Anne Laurent | |
| La viuda de Saint Pierre (La Veuve de Saint-Pierre) | Pauline (Madame La) | Nominada −César a la millor actriu |
| 2002 | Jet lag (Décalage horaire) | Rose | Nominada −César a la millor actriu |
| 2004 | Un país a l'Àfrica (In My Country) | Anna Malan | |
| 2005 | Mary | Marie Palesi / Mary Magdalene | |
| Bee Season | Miriam | |
| Caché | Anne Laurent | |
| 2006 | Breaking and Entering | Amira | |
| Uns quants dies de setembre (Quelques Jours en Septembre) | Irène Montano | |
| Paris, je t'aime | Suzanne | segment "Place des Victoires" |
| 2007 | Dan in Real Life | Marie | |
| Désengagement | | |
| Le Voyage du Ballon Rouge | Suzanne | |
| 2008 | Paris | Elise | |
| L'Heure d'été | Adrienne | |
| Shirin | Juliette Binoche | |
| 2010 | Còpia certificada | Elle | Premi a la interpretació femenina (Festival de Canes) |
| 2011 | The Son of No One | Loren Bridges | |
| Mademoiselle Julie | Mademoiselle Julie | Televisió |
| 2012 | Elles | Anne | |
| La vie d'une autre | Marie Speranski | |
| Cosmopolis | Didi Fancher | |
| À coeur ouvert | Mila | |
| 2013 | Camille Claudel 1915 | Camille Claudel | |
| Mil vegades bona nit (A Thousand Times Good Night)[4] | Rebecca | |
| Words and Pictures | Dina Delsanto | |
| 2014 | Godzilla | Sandra Brody | |
| Els núvols de Sils Maria (Clouds of Sils Maria) | Maria Enders | Nominada −César a la millor actriu |
| 2015 | Ningú no vol la nit | Josephine | Nominada −Goya a la millor actriu |
| 7 Letters | Elle | |
| The 33 | María Segovia | |
| L'attesa | Anna | |
| 2016 | L'alta societat (Ma Loute) | Aude Van Peteghem | |
| Polina, danser sa vie | Liria Elsaj | |
| 2017 | A tal mare, tal filla (Telle mère, telle fille) | Mado | |
| Un beau soleil intérieur | Isabelle | |