Mathilde Seigner wurde 1968 als Tochter eines bekannten Fotografen und einer Journalistin in eine Künstlerfamilie hineingeboren. Ihr Großvater war der in Frankreich hoch angesehene Louis Seigner (1903–1991), Doyen der Comédie-Française, ihre Tante die Schauspielerin Françoise Seigner. Sie ist die Schwester der Schauspielerin Emmanuelle Seigner und der Sängerin Marie-Amélie Seigner.
Die als „burschikos“[1] beschriebene Schauspielerin absolvierte ihre Ausbildung am renommierten Pariser Cours Florent, wo auch die Karrieren von Isabelle Adjani, Christopher Lambert oder Sophie Marceau begannen. Ihr Spielfilmdebüt gab Seigner 1994 an der Seite ihrer älteren Schwester Emmanuelle mit einer Nebenrolle in Claude Millers Tragikomödie Das Lächeln. Der Durchbruch gelang ihr bereits mit ihrer zweiten Filmrolle in Christine Carrières Erstlingsfilm Rosine. Der Part der jungen und unter Stimmungsschwankungen leidenden Mutter, die mit der Rückkehr ihres verschwundenen Ehemannes konfrontiert wird, brachte ihr 1995 den Prix Michel Simon ein.
Zeitweilig gehörte Mathilde Seigner, die auch Theater spielt, zu den bekanntesten und bestbezahlten Schauspielerinnen Frankreichs. 2006 belegte sie mit einer Jahresgage von 800.000 Euro Platz drei hinter Josiane Balasko und Karin Viard.[2] Im Jahr 2008 führte sie mit Gagen von 2,8 Mio. Euro die in Le Figaro veröffentlichte Liste an.[3]
Seigner, die in der Vergangenheit unter anderem mit Anthony Delon, dem Sohn von Alain Delon, liiert war,[1] lebt seit 2006 mit dem Kameramann Mathieu Petit zusammen, den sie bei den Dreharbeiten zu 3 amis (2007) kennenlernte. Aus der Beziehung ging ein gemeinsamer Sohn hervor, der am 10. August 2007 geboren wurde.[4]