Égérie du cinéma d'auteur français, elle se révèle alors qu'elle est adolescente dans le film Les Diables de Christophe Ruggia. Nommée aux César dans la catégorie du meilleur espoir féminin en 2008 et 2012, elle obtient deux Césars en 2014 et 2015, celui de la meilleure actrice dans un second rôle dans Suzanne, puis celui de la meilleure actrice pour Les Combattants. Elle est nommée en 2018 pour le meilleur second rôle pour le film 120 battements par minute, ainsi que pour le César de la meilleure actrice pour son interprétation dans le film En liberté ! en 2019 et pour Portrait de la jeune fille en feu en 2020.
En novembre 2019, Mediapart publie une enquête sur la relation entre Adèle Haenel et le réalisateur Christophe Ruggia, à partir du tournage des Diables (2002) : elle accuse ce dernier d'attouchements et de harcèlement sexuel alors qu'elle avait entre 12 et 15 ans, accorde un long entretien filmé à Mediapart à ce sujet, puis porte plainte. De nombreux observateurs estiment que la prise de parole d'Adèle Haenel constitue un tournant majeur pour l'émancipation des femmes dans le cinéma et au-delà.
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