À l'âge de trois ans, Bérénice Bejo emménage en France avec ses parents. Très tôt Miguel Bejo, son père, réalisateur, la plonge dans la culture cinématographique et l'inscrit dans des cours de théâtre. Elle effectue ses premières apparitions à l'écran dans les courts métrages Pain perdu en 1993, Enceinte ou lesbienne pour L'@mour est à réinventer en 1996, puis interprète le personnage de Karine dans Les Sœurs Hamlet en 1998 d'Abdelkrim Bahloul. Ensuite, elle poursuit sa carrière grâce à des petits rôles dans La Captive (2000) et Passionnément (2000) avant de connaître la consécration grâce à Meilleur Espoir féminin (2000) de Gérard Jugnot. Sa prestation d'apprentie-comédienne lui vaut d'être sélectionnée au César du meilleur espoir féminin.
Bérénice Bejo décroche le rôle de Christiana dans Chevalier (2001) de Brian Helgeland, incarnant la confidente de Shannyn Sossamon à l'écran. Elle retourne ensuite en France pour jouer aux côtés de Marie-France Pisier et Guillaume Depardieu dans Comme un avion (2002). En 2003, Berenice Bejo est à l'affiche de 24 heures de la vie d'une femme de Laurent Bouhnik, où elle interprète Olivia, une jeune fille déroutant Michel Serrault par sa beauté et sa vitalité.
Tournant à deux reprises sous la direction de Steve Suissa, elle séduit tour à tour Stéphane Freiss et Titoff dans Le Grand Rôle (2004), une comédie sur le monde des acteurs, et Cavalcade (2005), un drame abordant le thème du handicap. Elle effectue un retour en force en 2006 en s'illustrant aux côtés de l'agent OSS 117, alias Jean Dujardin, dans OSS 117 : Le Caire, nid d'espions. En 2011, elle retrouve Jean Dujardin dans le film de son compagnon The Artist, qui connait un succès critique et public (près d'1,5 millions d'entrées).
En février 2012, elle rejoindra Emir Kusturica pour le tournage de l'adaptation du roman Au bonheur des ogres de Daniel Pennac.
Elle est en couple avec le réalisateur Michel Hazanavicius. Ils sont les parents d'un petit Lucien né en juin 2008 et d'une petite Gloria né le 18 septembre 20111.
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“ Film étrange, d'abord catastrophique puis de plus en plus beau. A mesure que Bejo disparaît et que Tahar Rahim s'impose, en fait. ”— JoChapeau27 mai 2013
“ Images d'archives sont vertigineuses, mais fallait-il vraiment faire rejouer les morceaux manquants par Bérénice Béjo et Jacques Gamblin ? ”— tomsias 6 février 2013
“ Bérénice Bejo et Jean Dujardin montraient déjà l'incroyable potentiel qu'ils ont ensemble, ici dans un registre comique savoureux ! ”— Ju_28 juin 2013