Em 2005 Léa conseguiu seu primeiro trabalho, em um filme de Tv chamado Mes copines, onde interpretou um dos papéis
principais.
No
ano
seguinte
estrelou o curta de Nicolas Klotz La Consolation, que estreou no Festival de Cannes 2007. Entre 2006 e 2008 apareceu em outros papéis em produções francesas como 13 French Street, Une Vielle Maîtresse and Jalouse. Em 2009, ganhou no Festival de Cannes o prêmio de Atriz revelação foi indicada para o Prêmio César de Atriz mais promissora por seu papel no filme La Belle Personne, onde protagonizou ao lado de Louis Garrel uma adaptação moderna do romance clássico frances La Princesse de Clèves de Madame de La Fayette.6 No ano seguinte apareceu como Charlotte LaPadite em "Inglourious Basterds" de Quentin Tarantino, seu primeiro filme Hollywoodiano. Em 2010 apareceu ao lado de Russell Crowe Robin Hood de Ridley Scott, como a rainha da InglaterraIsabel de Angoulême. Em 2011 ela interpretou Gabrielle em Midnight in Paris de Woody Allen, que ela diz ser um dos seus diretores favoritos de todos os tempos. Em seguida interpretou o papel da assassina Sabine Moreau em ––Mission: Impossible Ghost Protocol, de Brad Bird. Em 2012 Léa protagonizou o filme Les adieux à la
reine,
um
drama
de
época
interpretou
Sidonie
Laborde,
onde leitora
devotada da Rainha Maria Antonieta, as voltas com a revolução francesa. Pelo papel foi indicada ao Prêmio César desta vez de Melhor Atriz. Também estrelou em 2012 o vencedor do Urso de Prata do Festival de Berlin, L'enfant d'en haut e teve sua atuação listada por vários críticos como uma das melhores do ano. Porém foi em 2013 que Seydoux teve o papel mais importante de sua carreira até hoje, o de Emma uma misteriosa garota de cabelos azuis, no filme La vie d'Adèle, o filme ganhou a Palma de Ouro no Festival de Cannes, e além do diretor do filme Abdellatif Kechiche, Léa e sua coprotagonista
Adèle
Exarchopoulos
ganharam o prêmio, um feito inédito na história do festival. Seydoux foi fotografada por grandes fotógrafos de moda, como Steven Meisel, Mario Sorrenti, Ellen von Unwerth e JeanBaptiste Mondino, para revistas como Vogue Paris,Numero, W, L'Officiel e
Another
Magazine.
Atualmente
representa a fragrância Candy e a linha Resort, ambas da empresa Prada. Suas medidas são 856090, 33"23"35". Em 2013 foi escolhida como estrela junto a Adèle Exarchopoulos da campanha 2014 Resort da grife Miu Miu.