Attrice e regista. Figlia di Albert Delpy, attore e regista teatrale, e Marie Pillet, anche lei attrice. Ha appreso l'arte della recitazione dai suoi genitori e in seguito ha frequentato, per un periodo, l'Actor's Studio di New York. Ma l'esperienza più importante è stata quella di lavorare sul set di alcuni dei più importanti registi europei tra cui Jean-Luc Godard - che a soli quattordici anni l'ha fatta debuttare sul grande schermo con una piccola parte in "Détective" (1985) - Bertrand Tavernier, Agneiszka Holland, Carlos Saura e Krysztof Kieslowski. Da sempre innamorata di New York, vi si è trasferita nel 1990 dopo anni di avanti-e-indietro da Parigi e il pubblico statunitense l'ha conosciuta come Costanza in "I tre moschettieri" (1993) di Stephen Herek, ma l'ha apprezzata ancor di più l'anno successivo come protagonista di "Killing Zoe" di Roger Avary. Sin dal suo esordio è stata interessata più alla regia che alla recitazione e a metà degli anni '90 ha frequentato un corso estivo di regia presso l'Università di New York, diplomandosi col massimo dei voti. Nel 1995 ha realizzato il suo primo cortometraggio "Blah Blah Blah", da lei anche scritto e interpretato, presentato al Sundance Film Festival, mentre nel 2000 ha scritto e diretto il suo primo lungometraggio "Tell me", di cui è anche interprete accanto ad Ethan Hawke, già suo compagno di set in due film di Richard Linklater: "Prima dell'alba" (1995) e "Waking Life" (2001, presentato in concorso alla 58ma edizione della Mostra del Cinema di Venezia). Attualmente vive a Los Angeles. Oltre al francese, parla correttamente l'inglese e l'italiano ed ha una buona conoscenza del tedesco e dello spagnolo.