Nata a Roma. Figlia degli attori Vittorio Mezzogiorno e Cecilia Sacchi. Ha lavorato per due anni a Parigi nel Workshop di Peter Brook (Le Centre International de Créations Théatrales). Nella stagione 1995?96 ha debuttato sul palcoscenico delle Bouffes du Nord nello spettacolo "Qui est là", una ricerca teatrale creata e diretta da Peter Brook tratta dall'Amleto di Shakespeare e testi di Artaud, Brecht, Craig, Mayerhold, Stanislavski e Zeami (per la sua interpretazione ha ricevuto il Premio Coppola?Prati 1996 da una giuria presieduta dal critico teatrale Franco Quadri). Nel 1997, debutta al cinema con il film "Il viaggio della sposa" di Sergio Rubini (premiata con la Targa d'Argento "Nuovi Talenti del Cinema Italiano" alle Grolle d'Oro, con il Globo d'Oro della Stampa Estera e con il Premio Internazionale Flaiano come migliore interprete femminile della stagione 97?98). Tra gli altri film: "Del perduto amore" di Michele Placido (1998 ? Nastro d'Argento, Ciak d'Oro e Premio Pasinetti come migliore attrice protagonista), "Asini" di Antonello Grimaldi (1999), "Un uomo per bene" di Maurizio Zaccaro (1999), "Tutta la conoscenza del mondo" di Eros Puglielli (2000), "L'ultimo bacio" di Gabriele Muccino (2000 ? Premio Internazionale Flaiano 2001 per la miglior interpretazione femminile), "Ilaria Alpi - Il più crudele dei giorni" di Ferdinando Vicentini Orgnani (2002 ? Nastro d'Argento come miglior attrice protagonista), "La finestra di fronte" di Ferzan Ozpetek (2002 ? tra i numerosi premi: David di Donatello, Nastro d'Argento, Globo d'Oro, Best Actress Award al Karlovy Vary International Film Festival), "L'amore ritorna" di Sergio Rubini (2003 ? Nastro d'Argento come miglior attrice non protagonista), "La bestia nel cuore" di Cristina Comencini (2005 ? in concorso 62° Mostra Internazionale d'Arte Cinematografica di Venezia ? Coppa Volpi per la miglior interpretazione femminile, Nominated Academy Awards come Miglior Film Straniero agli Oscar 2006), "Lezioni di volo" di Francesca Archibugi (2007), "Notturno bus" di Davide Marengo, "L'amore ai tempi del colera" di Mike Newell (2007), "L'Amore non basta" di Stefano Chiantini (2007), "Palermo Shooting" di Wim Wenders (2007), "Vincere" di Marco Bellocchio (2008 ? Nastro d'Argento e Globo d'Oro come migliore attrice protagonista, Silver Hugo for Best Actress al 45° Chicago International Film Festival, migliore attrice dell'anno Award best actress 2010 in USA, dalla National Society of Film Critics, Sant Jordi 2011 Mejor Actriz Extranjera in Spagna), "Negli occhi", documentario sul padre Vittorio nelle vesti di co? produttrice e voce narrante, di Daniele Anzellotti e Francesco Del Grosso (2009 ? Menzione Speciale della Giuria Controcampo Italiano alla 66° Mostra Internazionale d'Arte Cinematografica di Venezia e Globo d'Oro), "La prima linea" di Renato De Maria (2009), "Basilicata coast to coast" di Rocco Papaleo (2010), "Vinodentro" di Ferdinando Vicentini Orgnani (2012), "I nostri ragazzi" di Ivano De Matteo (2014), "Come diventare grandi nonostante i genitori" di Luca Lucini (2016). In televisione: "Più leggero non basta" di Elisabetta Lodoli (1998), "I Miserabili" di Josée Dayan (2000), "Il mistero di Thomas" di Giacomo Battiato (2002), "Virginia" di Alberto Sironi (2004). In teatro nel 2004 ha interpretato "4.48 Psicosi" di Sarah Kane per la regia di Piero Maccarinelli. Nel 2017 "Sogno d'autunno" di Jon Fosse per la regia di Valerio Binasco. Recentemente è stata insignita, dal Ministero della Cultura francese, Chevalier de l'Ordre des Arts et des Lettres (Cavaliere dell'Ordine delle Arti e Lettere).