Judith Chemla a suivi une double formation de théâtre au Conservatoire National Supérieur d’Art dramatique et de chant lyrique au Conservatoire d’Aubervilliers. Elle travaille autant au théâtre qu’au cinéma.

En 2007, elle entre à la Comédie Française où elle joue, en 2008, sous la direction de Lukas Hemleb, dans Le Misanthrope de Molière, dans Douce vengeance et autres sketches de Hanokh Levin, mise en scène Galin Stoev puis dans L’Illusion comique de Pierre Corneille, mise en scène Galin Stoev. Jacques Lassalle la dirige dans Figaro divorce d’Ödön von Horváth, et Dan Jemmett dans La Grande Magie d’Eduardo de Filippo.

Depuis 2010 elle travaille avec de nombreux metteurs en scène dont Emmanuel Meirieu (De beaux lendemains d’après le roman de Russell Banks aux Nuits de Fourvière puis au Théâtre des Bouffes du Nord), Denis Podalydès dans une lecture de Le Babil des classes dangereuses de Valère Novarina à l’Odéon-Théâtre de l’Europe. Elle présente aussi son propre texte : Tue-Tête à Vidy-Lausanne et au Théâtre des Bouffes du Nord. Pour le Festival d’Avignon elle joue dans L’Entêtement de Rafael Spregelburd, mise en scène Marcial Di Fonzo Bo et Élise Vigier. Au mois de décembre 2013, elle joue dans Le Crocodile trompeur/Didon et Enée, mise en scène Samuel Achache et Jeanne Candel au Théâtre des Bouffes du Nord. En 2016, elle crée dans ce même théâtre, avec Benjamin Lazar, Traviata,vous méritez un avenir meilleur, recréée en 2023 toujours aux Bouffes du Nord.

On la retrouve dans de très nombreux films, pour lesquels elle reçoit notamment en 2011 le Prix Jean-Jacques Gautier. Pour Camille redouble (Noémie Lvovsky), elle obtient la Nomination Meilleure Actrice dans un Second Rôle - César 2013 ; Meilleur Espoir Féminin – et le Prix Lumière 2013. Elle a travaillé, entre autres, avec Bertrand Tavernier (La Princesse de Montpensier), André Téchiné (L’Homme qu’on aimait trop), Stéphane Brizé (Une Vie), Eric Toledano et Olivier Nakache (Le Sens de la fête), Laetitia Masson (Un Hiver en été), Yohan Manca (Mes Frères, et moi), Mia Hansen-Løve (Maya), Amélie Van Elmbt (Drôle de père), Elise Otzenberger (Lune de Miel), Stéphane Batut (Vif-argent, Sélection ACID au Festival de Cannes 2019 Léopold Legrand (Pleurer des rivières, Sélection Un Certain Regard au Festival de Cannes 2021), Yvan Attal (Les Choses humaines), Olivier Dahan (Le Voyage du Siècle), Emmanuel Poulain (Les Cobayes), Keren Ben Rafael (À Coeur Battant), Michel Leclerc (Le Goût et les couleurs), Léopold Legrand (Le sixième enfant). Elle retrouve Noémie Lvovsky dans La Grande magie en 2021.

En 2025, elle crée Le Procès de Jeanne au Théâtre des Bouffes du Nord – avec Yves Beaunesne à la mise en scène, qu’elle retrouve après la création de L’Annonce faite à Marie de Paul Claudel, en 2014 aux Bouffes du Nord. Et Traviata, par Benjamin Lazar, Florent Hubert et Judith Chemla, est de nouveau en tournée sur la saison 2024-2025.