Après huit ans de cours de théâtre à Sèvres, Ludivine Sagnier rentre en 1994 au Conservatoire d'art dramatique de Versailles où elle remporte un premier prix au concours classique et un premier prix au concours moderne. Elle débute au cinéma en 1988 avec Les Maris, les femmes, les amants ainsi que dans des courts métrages. Elle obtient d'ailleurs le Lutin de la Meilleure comédienne pour son rôle dans Acide animé de Guillaume Breaud. Après de petits rôles dans Les Enfants du siècle (1999) ou encore Rembrandt (id.), elle incarne l'un des rôles principaux de Gouttes d'eau sur pierres brûlantes (2000) de François Ozon.

Sa carrière s'accèlère en 2000, avec le rôle principal de la comédie Bon Plan, des seconds rôles dans Un jeu d'enfants (2001) et Ma femme est une actrice (id.), et surtout grâce à François Ozon qu'elle retrouve en 2002 pour 8 femmes. La même année lui permet de jouer aux côtés de Daniel Auteuil dans Petites coupures de Pascal Bonitzer, et pour la première fois de prêter sa voix à un dessin animé : La Légende de Parva de Jean Cubaud. Fidèle à Ozon, elle joue à nouveau sous sa direction en 2003 dans Swimming pool, tourné en langue anglaise, avant de rejoindre un casting international pour le Peter Pan de P.J. Hogan, dans lequel elle incarne la mutine fée Clochette. Au mois de septembre on pourra la retrouver dans La Petite Lili de Claude Miller, avec Nicole Garcia, Bernard Giraudeau, Robinson Stéverin...