Après des études à l'université Paris-Sorbonne, elle débute dans un court métrage, *Les Pieds sur le dos*, en 1995. Elle tournera ensuite pour Jean-Paul Rappeneau dans *Cyrano de Bergerac* (1990) puis pour André Téchiné dans *Un crime* (1992), où elle interprète un jeune gendarme.
En 1997, Ludivine Sagnier incarne une étudiante dans *Les Apprentis* de Gilles Mimouni. Elle révèle son talent à la télévision en jouant l'héroïne d'*Adélaïde et l'oison* (1998) et devient rapidement une actrice en vue du cinéma français.
En 2003, elle tourne aux côtés de Gérard Depardieu dans *Le Dîner de cons*. Puis, en 2004, elle incarne Isabelle dans le film *Swimming Pool* réalisé par Douglas Avery et côtoie notamment Charlotte Rampling.
En 2008, Ludivine Sagnier joue aux côtés de François Cluzet dans *Entre ses mains*, où elle interprète une psychanalyste qui débarque dans le milieu du crime organisé pour rencontrer son ex-petit ami.
En 2013, elle est à l'affiche de la série télévisée *Les Revenants*, remake français de la série suédoise *Revenir*. En 2014, Ludivine Sagnier interprète l'héroïne d'*Un couple parfait* de Delphine Coulin et Muriel Coulin.
En 2016, elle est à l'affiche du film *Les Bienheureux* de Sophie Marceau et, en 2017, elle joue dans le long métrage *Le Sens de la fête* réalisé par Catherine Corsini. En 2018, elle est à l'affiche de *La Loi de mille-huit cent quarante* de Mathieu Kassovitz.
Ludivine Sagnier est également active dans le domaine du doublage. Elle prête sa voix notamment aux personnages d'*Alice* dans *Les Mondes de Alice* (2010) et à la princesse Élisabeth dans *La Reine des neiges* (2013).
Depuis 2018, Ludivine Sagnier fait également carrière sur scène. En 2019, elle joue le rôle de Hélène dans la pièce *Le Cri du monde* d'Édouard Bourdet au théâtre du Rond-Point à Paris.
Ludivine Sagnier est connue pour sa carrière prolifique et variée tant au cinéma qu'à la télévision. Elle est considérée comme une actrice remarquable, récompensée par plusieurs prix.