Elle a grandi dans le quartier des Batignolles, à Paris. Après des études de lettres modernes classiques, elle débute sur scène au théâtre de l'Opprimé où elle joue notamment dans *Les Bonnes* de Jean Genet en 2004, puis *L'École des femmes* de Molière.
En 2006, Delphine Rio fait sa première apparition à la télévision dans la série télévisée *Joséphine, ange gardien*. L'année suivante, elle incarne le personnage principal de la comédie dramatique *La Vie parisienne* de Frédéric Berthe.
En 2009, Delphine Rio décroche le rôle de Fanny dans le film d'Alexandre Astier, *Paris*, aux côtés de François Cluzet et Audrey Tautou. Elle poursuit ensuite sa carrière au théâtre en jouant notamment à la Comédie Française, où elle interprète le rôle-titre de *La Cerisaie* d'Anton Tchekhov en 2012.
En parallèle de son activité théâtrale, Delphine Rio se lance dans une carrière musicale. En 2014, elle sort son premier album intitulé *Jolie Haine*, qui rencontre un vif succès critique et commercial. Elle enchaîne ensuite avec des concerts, dont un à l'Olympia de Paris en 2015.
En 2017, elle sort son deuxième album *Les Belles Vies*. L'année suivante, elle joue dans la pièce de théâtre *Le Père* d'August Strindberg au Théâtre national de Belgique.
Delphine Rio est également active sur la scène cinématographique. En 2019, elle incarne le personnage principal du film de Guillaume Nicloux, *La Belle Époque*. Elle enchaîne ensuite avec le thriller *L'Échappée* de Jean-Charles Furet et *Le Voyageur d'Antan* de Stéphanie Chuat.
Delphine Rio est également connue pour ses prises de position engagées sur des questions politiques telles que le féminisme ou l'écologie. Elle milite notamment pour la protection des animaux et des espaces naturels.