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Un poco de su vida:

Proveniente de una familia de artistas, comenzó desde pequeña a trabajar como actriz, su madre es actriz; su padre, director; ambos profesores de arte dramático y tiene dos hermanos gemelos, Quentin, escultor y Guillaume, escritor. Su primo Laurent Cotillard, dirigió además su primera obra Y a des nounous dans le placard.
En 1994, ganó el primer premio del Conservatorio de Arte Dramático de Orleáns.
Y comenzó a intervenir en series televisivas como Highlander o Extrême Limite, y más tarde en el cine con la película La Belle Verte, aunque fue con Taxi con guion de Luc Besson y dirigida por Gérard Pirès con la que se dio conocer al gran público y que le supuso su primera nominación al César a la mejor actriz revelación. Su papel en esta película le sirvió para trabajar en producciones como La Mouette o Les Jolies Choses, con la que obtuvo una nueva nominación a los Premios César, consiguiendo en 2005 ganar el César a la mejor actriz de reparto por Largo domingo de noviazgo, de Jean-Pierre Jeunet.
En 2007, interpreta a Édith Piaf en el film de Olivier Dahan La vida en rosa, ganando el Oscar a la mejor actriz en 2008.
En el 2009, interpretó a Evelyn (Billy) Frechette, la novia de John Dillinger en el film Enemigos públicos donde demuestra una gran solidez actoral. Actualmente mantiene una relación con el actor francés Guillaume Canet, desde finales de 2006. El 15 de marzo de 2010 Marion recibió la Medalla de la Orden de la Artes y las Letras de Francia. El 19 de mayo de 2011 dio a luz a su primer hijo, Marcel.1
En 2010 participa en la película Inception de Christopher Nolan, junto a Leonardo Di Caprio, Joseph Gordon-Levitt y Tom Hardy entre otros.
En 2012 repite con el director Christopher Nolan en El caballero oscuro: La leyenda renace junto a Christian Bale y vuelve a repetir reparto con Joseph Gordon-Levitt y Tom Hardy