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Elle a commencé sa carrière en 1993 dans le long métrage de George Mihalka, La Florida, et a ensuite obtenu plusieurs rôles à la télévision et au cinéma, tant en français qu'en anglais. Elle a notamment joué dans les séries télévisées Chambres en ville, Le masque, The Hunger et Urgence. Elle a également participé à plusieurs courts et moyens métrages, dont Le Rat des villes et le rat des champs, Femme de rêve et HLA Identique.
En 2003, elle a incarné une junkie dans Les Invasions barbares de Denys Arcand, rôle qui lui vaut le Prix d'interprétation féminine à Cannes, bien que son personnage soit un rôle plutôt secondaire[4] qui apparaît tardivement dans le film[5]. Repartie de Cannes avant la cérémonie de clôture[4], elle a appris qu'elle avait obtenu cette distinction en direct à la télévision, alors qu'elle participait à l'émission Christiane Charette en direct, sur Radio-Canada. Sa performance lui donne une visibilité à l'international.
Mais l'année d'après, elle accepte des rôles plus secondaires pour être dirigée par de grands cinéastes : elle évolue ainsi dans la grosse production Munich, un drame historique de Steven Spielberg. puis joue dans le drame français La Petite Chartreuse, de Jean-Pierre Denis.
En 2006, elle est à l'affiche de deux œuvres multi-primées : elle tient le premier rôle féminin du thriller Ne le dis à personne, seconde réalisation de Guillaume Canet, qui connait un large succès critique et commercial. Mais également celui de la production franco-américaine Le Scaphandre et le Papillon, de Julian Schnabel. Hors cinéma, elle participe aussi à un projet expérimental, le photo-roman revisité Mars et Avril, une œuvre hybride publiée en deux tomes aux éditions de la Pastèque, en 2006[6].
Lors du Festival de Cannes 2016, elle fait partie du jury de la Cinéfondation et des courts métrages, présidé par la réalisatrice japonaise Naomi Kawase.
↑Le scénario édité propose une liste des « personnages et interprètes par ordre d'apparition à l'écran » où Marie-Josée Croze n'est mentionné qu'en 28e position sur 38 personnages répertoriés. Le personnage apparaît en effet page 108 sur un total de 215 pages. Denys Arcand, Les Invasions barbares, éditions du Boréal, 2003 (ISBN2-7646-0244-8).