Laure Duthilleul, après avoir suivi les cours d'H.E.C., débute au théâtre dans l'Atelier de Jean-Claude Grumberg, mise en scène de Maurice Bénichou (1982) grâce à une rencontre avec Margot Capelier. Elle tourne dans le premier film réalisé en France par le cinéaste américain Robert Kramer, À toute allure, retenu en sélection officielle pour la France au Festival de Cannes. C'est à cette époque qu'elle fait la connaissance du musicien Bernard Lubat. Dorénavant elle vit une partie du temps à Uzeste - petit village de Gironde réputé pour son festival Uzeste Musical et Paris où elle joue dans Terre étrangère d’Arthur Schnitzler, mise en scène de Luc Bondy (1983-84). Laure Duthilleul, durant les représentations, apprend le méfier d'administratrice et, en 1985, prend des responsabilités au sein de la Compagnie Lubat. Elle joue au théâtre dans Portrait de famille de Denise Bonnal (1985-86), la Mouette, mise en scène de Pierre Pradinas (1987). Elle est la Juliette du Destin de Juliette, dans le premier film d'Aline Issermann (1984), tourne avec Mehdi Charef le Thé au harem dArchimède (1985), Geoffroy Larcher L'Ile aux oiseaux (1987), Alex Métayer le Bonheur se porte large (1987)...

En 1989, elle devient l'un des quatre membres fondateurs de la Nouvelle Compagnie Lubat de Gascogne, est élue conseillère municipale à Uzeste, co-réalise un certain nombre des créations du Festival Uzeste Musical, qui vont, pour certaines tourner en Europe, elle réalise une série sur Antonin Artaud: Artaud eu lavoir, Artaud au tennis, Artaud à récole... participe aux créations de la Révolution en dansant (1989), Universalis vocalis, cantate pour mille voix présentée au Parc de la Villette (1992), Dommage à John Cage (1994). Elle met en scène l'Histoire du soldat (1996), quitte la Compagnie Lubat en 1998 et se réinstalle à Paris.

Parallèlement, elle continue à faire du cinéma avec René Allio, Mehdi Charef Au pays des Juliets (1991), Manuel Poirier À la campagne (1994), Robert Kramer l'Avenir (1994), Jean-Denis Robert Sortez des rangs (1995), Nina Grosse Fire rider (1997). Elle travaille également pour la télévision dans une trentaine de téléfilms avec, entre autres, Franck Cassenti, Jacques Trefouel, Jean Sagols, Jean-Daniel Verhaeghe, Denis Malleval, Aline Issermann...