Audrey Tautou wurde als Tochter eines Zahnarztes geboren. Sie wuchs in Montluçon auf.

Nach ihrem mit Auszeichnung bestandenen Abitur besuchte Tautou den Theaterkurs Cours Florent in Paris. Nachdem sie in Kurzfilmen und französischen Fernsehserien (Julie Lescaut) mitgespielt hatte, erhielt sie eine Rolle in dem Film Schöne Venus, für die sie mit dem César ausgezeichnet wurde. Daraufhin bekam sie die Hauptrolle in Jean-Pierre Jeunets Die fabelhafte Welt der Amélie.

2002 spielt Tautoun in Wahnsinnig verliebt eine junge Frau, die in obsessiver Liebe einem verheirateten Arzt wie eine Stalkerin folgt, obwohl dieser sie kaum zur Kenntnis genommen hat.

Im Mai 2006 kam The Da Vinci Code – Sakrileg, die Verfilmung des gleichnamigen Buches, in die Kinos. Darin ist Audrey Tautou an der Seite von Tom Hanks zum ersten Mal in einer Hollywood-Produktion zu sehen.

In dem Film Coco Chanel – Der Beginn einer Leidenschaft (2009) verkörperte sie die Mode-Ikone Coco Chanel während ihrer Lehrjahre. Beinahe zeitgleich mit der deutschen Filmpremiere löste Tautou auch Nicole Kidman als Gesicht der Werbekampagne für Chanel Nº 5 ab. Die Regie beim Dreh zu dem neuen Werbespot für das Parfum führte Jean-Pierre Jeunet, mit dem Tautou schon bei Die fabelhafte Welt der Amélie zusammengearbeitet hatte.