Après avoir terminé ses études au lycée Jean-Jacques Rousseau, elle entame sa carrière d'actrice en 1998 avec le court métrage "Le Château des souvenirs". Sa première apparition au cinéma à l'écran principal est dans "Le Poids de la chance" (2001), pour lequel elle a obtenu une nomination au César du meilleur espoir féminin.
En 2004, Lucie Vincentelli apparaît dans la série télévisée "Femmes de loi", qui est une adaptation française de la série américaine "Law & Order". Pendant cette période, elle joue également dans des films comme "Le Couperet" (2005) et "Les Rivières pourpres 2 - Les Anges de l'apocalypse" (2004).
En 2010, Lucie Vincentelli joue le rôle d'Anne-Marie Collombon dans la série télévisée "Famille d'accueil". Cette performance lui vaut des louanges de la critique et du public. Deux ans plus tard, elle rejoint la distribution de la série "Fleur de peau" pour le rôle de Laetitia Tessier.
En 2015, Lucie Vincentelli revient à la télévision dans la série "Le Sang de la vigne", où elle interprète le personnage d'Adèle Rousseau. Cette performance lui vaut une nomination au César de la meilleure actrice dans un second rôle en 2016.
En 2018, Lucie Vincentelli joue un rôle récurrent dans la série "Les Innocentes", qui est adaptée du roman de Raphaël Jerusalmi. Pendant cette période, elle participe également à des projets cinématographiques comme "La Belle Époque" (2019) et "L'Empire du petit bonheur" (2020).
Lucie Vincentelli est également active dans le doublage de films d'animation, notamment pour la version française de "La Reine des neiges 2", "Ralph 2.0" et "Onward".