Béatrice Dalle a 14 ans lorsqu'elle quitte Le Mans, ville où elle a grandi, pour rejoindre la capitale.

Un mannequin rencontré sur les Champs-Elysées lui propose bientôt de poser pour le magazine Photo, dans le cadre d'une série sur les lolitas. Le cliché est remarqué par l'agent Dominique Besnehard, qui recherche une jeune inconnue pour donner la réplique à Jean-Hugues Anglade dans 37°2 le matin de Jean-Jacques Beineix. Grâce au succès international du film, nouveau « sex-symbol » du cinéma français, Béatrice Dalle se voit proposer des films qui exploitent avant tout sa plastique (La Sorcière de Bellocchio, Les Bois Noirs de Jacques Deray, etc.).

Partenaire en 1990 d'Isabelle Huppert dans La Vengeance d'une femme, âpre huis clos de Doillon – le cinéaste auprès de qui elle dira avoir le plus progressé - , elle est également choisie par la fine fleur du cinéma indépendant américain, de Jarmusch (Night on Earth) à Ferrara (The Blackout). L'actrice devient une figure familière de l'univers de Claire Denis, avec des films comme J'ai pas sommeil ou Trouble every day.

S'autorisant quelques incursions dans des œuvres grand public (La Belle histoire de Lelouch en 1992, La Fille de l'air, d'après l'histoire vraie de Nadine Vaujour), Béatrice Dalle est devenue une égérie du cinéma d'auteur (17 fois Cécile Cassard) en 2002.

Elle part au Japon tourner dans une relecture de Hiroshima mon amour (le quasi-expérimental H Story de Nobuhiro Suwa), et joue volontiers des rôles secondaires, pourvu que ceux-ci lui soient confiés par des artistes de la trempe de Haneke (Le Temps du loup) ou Assayas (Clean, en 2004).

On la retrouve en 2007 en compagnie de Philippe Caubère dans Truands, polar de Frédéric Schoendoerffer, et en héroïne d'un film d'horreur particulièrement gore (À l'intérieur).

Par la suite, on la voit à l'affiche de comédies dramatiques telles que Tête d'or (2007) de Gilles Blanchard, Les Bureaux de Dieu (2008) de Claire Simon et Domaine (2010) de Patric Chiha.

En 2011, l'actrice accélère les projets et apparaît dans pas moins de trois productions, dont Jimmy Rivière ou dans le très violent Notre paradis. Elle renoue également avec le registre horrifique en retrouvant le duo de cinéastes Julien Maury et Alexandre Bustillo pour Livide.

Béatrice Dalle rejoint l'année suivante l'adaptation cinématographique du roman de Virginie Despentes par elle-même, Bye Bye Blondie.

Lucrèce Borgia est son premier rôle au théâtre.