Audrey Tautou, die Tochter eines Zahnarztes, wuchs in Montluçon auf. Nach ihrem mit Auszeichnung bestandenen Abitur besuchte sie 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 2001 die Hauptrolle in Jean-Pierre Jeunets mehrfach preisgekröntem Meisterwerk Die fabelhafte Welt der Amélie. Für ihre Darstellung der schüchternen Amélie, die beschließt, das Leben ihrer Mitmenschen zum Positiven zu verändern, wurde Tautou für den César und den Europäischen Filmpreis nominiert.[3][4]
2002 spielte Tautou 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. Für den Film Mathilde – Eine große Liebe drehte sie 2004 erneut mit Jean-Pierre Jeunet. Darin spielt sie eine junge Frau auf der verzweifelten Suche nach ihrem Verlobten, der im Ersten Weltkrieg umgekommen zu sein scheint. Im Mai 2006 kam The Da Vinci Code – Sakrileg, die Verfilmung des gleichnamigen Buches, in die Kinos; für Tautou war dies, an der Seite von Tom Hanks, die erste Hollywood-Produktion.
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. Beim Dreh zu dem neuen Werbespot für das Parfum führte Jean-Pierre Jeunet Regie, mit dem sie schon bei Die fabelhafte Welt der Amélie zusammengearbeitet hatte.[5][6]
Audrey Tautou moderierte 2013 die Eröffnungsgala und die abschließende Preisverleihung der Filmfestspiele von Cannes. 2015 war sie Mitglied der Internationalen Jury der 65. Berlinale.
Im Februar 2019 adoptierte sie ein Mädchen aus Vietnam.[7]