Dès l'âge de 1 an et demi, elle joue dans des téléfilms. Son plus fameux rôle à ce jour est celui de Traudl Junge, la secrétaire d'Adolf Hitler, dans La Chute.
Grâce à sa performance convaincante dans ce film, Francis Ford Coppola lui a écrit une lettre pour lui proposer un rôle important dans L'Homme sans âge (2007).
On notera également ses apparitions dans plusieurs productions françaises, comme dans Napoléon en 2002, une mini-série dans laquelle elle interprète Marie Walewska, la maîtresse de Napoléon (Christian Clavier). En 2013, elle tient le rôle de Marlène Lauda dans Rush, film de Ron Howard.
Elle vit à Berlin avec son mari l'acteur britannique Sam Riley, qui est aussi son partenaire dans les films Control et Suite française. En 2014 elle donne naissance à un garçon, Ben Riley.