Elle débute dans des productions télévisées telles La vie quand même et Tania Boréalis, et se fait remarquer dans le rôle de la fille excentrique du couple Carole Bouquet-André Wilms dans la comédie Bienvenue chez les Rozes.

Partie vivre en Angleterre, elle y tourne l'épopée historique en trois parties Gunpowder, Treason and Plot dans laquelle elle incarne la reine d'Écosse Mary Stuart aux côtés de Robert Carlyle, puis participe à la série américaine Révélations, portée par Bill Pullman et Natascha McElhone.

En 2005, elle interprète la magicienne française Fleur Delacour, qui affronte Harry Potter, joué par Daniel Radcliffe, lors du " Tournoi des Trois Sorciers " dans Harry Potter et la Coupe de Feu signé Mike Newell. Ce rôle lui permet d'acquérir une notoriété internationale. Parfaitement bilingue, elle doit s'efforcer, dans la version originale, de parler anglais avec un fort accent français.

En 2006, elle joue dans l'adaptation cinématographique du célèbre roman Le Grand Meaulnes, puis dans Les Amants du Flore, téléfilm sur les vies de Simone de Beauvoir et Jean-Paul Sartre de nouveau aux côtés de Loránt Deutsch, et dans la série de Lili Zanuck sur NBC Revelations.

En 2007, le succès de ses précédents films lui permet de tourner dans plusieurs films internationaux : elle joue dans Bons baisers de Bruges de Martin McDonagh, une comédie dramatique sortie en 2008 avec à l'affiche Colin Farrell, Ralph Fiennes et Brendan Gleeson (Le Village, Gangs of New York).

Elle apparaît également dans la distribution de Tender Interface, film de science-fiction américano-hongrois lui offrant son premier rôle principal au cinéma au côté de Paul Giamatti.

La jeune Française ne laisse pas tomber pour autant sa carrière dans la francophonie, puisqu'elle est à l'affiche de Sans moi, un drame, Le Dernier Gang, un policier, ainsi que La Troisième Partie du Monde, un drame fantastique où elle partage l'affiche avec Gaspard Ulliel.

Elle a également joué dans une fiction de production pan-européenne de télévision : Guerre et Paix, adaptée du roman de Léon Tolstoï par Robert Dornhelm.

En 2010, elle tourne dans Lullaby aux côtés de Rupert Friend, puis enchaîne avec Harry Potter et les Reliques de la Mort, où elle reprend son rôle de Fleur Delacour, puis avec Jeanne Captive de Philippe Ramos, film pour lequel elle endosse le rôle-titre de Jeanne d'Arc.

En 2013 elle joue dans Je dans toujours de Timothée de Fombelle, m.e.s. Etienne Guichard.

À l'automne de la même année, elle apparaît dans quatre épisodes de la saison 4 de la série américaine Gossip Girl, dans le rôle d'Eva Coupeau.