Sự nghiệp diễn xuất của Cotillard bắt đầu bằng các vai diễn trong các bộ phim truyền hình như Highlander hay Extrême Limite. Cô cũng có vai diễn điện ảnh đầu tiên trong bộ phim L'histoire du garçon qui voulait qu'on l'embrasse (1994).

Marion bắt đầu được công chúng biết tới qua vai Lily Bertineau trong bộ phim hài ăn khách Taxi (1998). Cô còn tham gia tiếp 2 phần sau của Taxi là Taxi 2 (2000) và Taxi 3 (2002) trước khi đề nghị với nhà sản xuất Luc Besson cho ngừng tham gia loạt phim vì nó không giúp cô chứng tỏ được khả năng diễn xuất của mình. Năm 2001 cô được đề cử giải diễn xuất đầu tiên, đó là đề cử Giải César cho nữ diễn viên triển vọng nhất với hai vai chính trong bộ phim Jolies Choses.

Năm 2003 đạo diễn Tim Burton chọn Cotillard cho một vai phụ trong Big Fish, đây là vai diễn đầu tiên của cô trong một phim nói tiếng Anh. Một năm sau đó, với vai Tina Lombardi trong bộ phim Un long dimanche de fiançailles (đạo diễn Jean-Pierre Jeunet) Marion đã được trao giải Vai nữ phụ xuất sắc nhất tại lễ trao giải César.

Năm 2006 đánh dấu bước ngoặt trong sự nghiệp diễn xuất của Marion Cotillard khi cô được mời tham gia hai bộ phim lớn. Đầu tiên là bộ phim nói tiếng Anh A Good Year của đạo diễn Ridley Scott trong đó Marion thủ vai nữ chính bên cạnh nam diễn viên Russell Crowe. Bộ phim lớn thứ hai của cô là một tác phẩm của đạo diễn Olivier Dahan, La Môme, bộ phim kể lại cuộc đời của nữ danh ca số một nước Pháp thế kỷ 20 Édith Piaf. Đây là bộ phim được chờ đợi nhất của điện ảnh Pháp trong năm 2007 và nhiều người kì vọng vai nữ chính của phim sẽ được trao cho nữ diễn viên Pháp nổi tiếng nhất lúc này là Audrey Tautou (đóng vai chính trong Un long dimanche de fiançailles). Tuy nhiên cả đạo diễn Dahan và nhà sản xuất Alain Goldman đều nhất trí trong việc chọn Cotillard cho vai Édith Piaf, vì lý do này hãng TF1 đã giảm số tiền đầu tư của họ xuống còn 1/3[2]. Đây là một vai diễn khó khi Marion phải thể hiện được hình tượng Édith Piaf từ lúc bà còn là thiếu nữ cho đến khi bà hấp hối trên giường bệnh, tuy vậy cô đã hoàn thành một cách xuất sắc. Marion nhập tâm vào vai diễn đến mức vài tháng sau khi đóng máy cô vẫn bị ám ảnh bởi giọng nói và hình ảnh của Édith Piaf[3]. Vai diễn của cô được cả giới phê bình và công chúng đánh giá rất cao[3], Marion được trao liên tiếp giải nữ diễn viên chính xuất sắc nhất trong các giải thưởng điện ảnh danh giá là giải Quả cầu vàng, giải BAFTA, giải César và giải Oscar.