Da Ludivine natürlich noch zur Schule ging, waren Auftritte in den Folgejahren eher seltener. Mit 16 machte sie ihr Abitur, um anschließend vier Jahre am Conservatoire d'art dramatique in Versailles zu studieren. Erst 1998 beschäftigte sich die junge Frau wieder stärker mit der Filmerei. Nach drei TV-Filmen folgte mit Charles Mattons "Rembrandt" - hier spielt sie die Tochter des Malers, verkörpert von Klaus Maria Brandauer - eine internationale Kinoproduktion. Mit dem Werk "Tropfen auf heiße Steine" (1999) begann die Zusammenarbeit mit Filmemacher François Ozon. Mit ihm realisierte sie noch den ebenfalls erfolgreichen "8 Frauen" (2002) und den oben bereits erwähnten "Swimming Pool". Neben dem letztgenannten war Ludivine Sagnier 2003 beim Filmfestival von Cannes gleich mit zwei Filmen vertreten: Ebenfalls im Wettbewerb lief Claude Millers "Die kleine Lili", der auf Tschechows "Die Möwe" basiert und in dem Sagnier die Titelrolle verkörpert.
Ihre erste englischsprachige Rolle spielte sie in Ian Simpsons "Toothache" (2002). Hier war der Titel offenbar nicht gleich Programm, denn Ludivine hat das Englische keinerlei Zahnschmerzen verursacht. "Peter Pan" war ihre erste Hollywoodproduktion, in der sie als eifersüchtige Elfe vor allem ihr komisches Talent unter Beweis stellt. Für ihre Rolle der Jüngsten von "8 Frauen" erhielt sie den begehrten Romy-Schneider-Preis für junge Nachwuchsschauspielerinnen. Außerdem wurde sie für den César nominiert. Mit ihren namhaften Kolleginnen (etwa Catherine Deneuve, Isabelle Huppert, Emmanuelle Béart und Fanny Ardant) teilte sie sich als Ensemble den Preis der Europäischen Filmakademie für die beste Schauspielerin und den Silbernen Bären des Internationalen Filmfestivals Berlin 2002.
Weitere Werke mit Ludivine Sagnier: "La famille Fontaine" (TV-Serie), "Vacances au purgatoire" (beide 1992), "Le secret d'Iris" (1996), "À nous deux la vie", "Passion interdite", "Meurtres sans risque" (alle 1998), "Le ciel, les oiseaux et... ta mère!", "Acide animé" (Kurzfilm), Diane Kurys' "Das Liebesdrama von Venedig - George Sand und Alfred de Musset" mit Juliette Binoche (alle 1999), "Bon plan", "La Banquise" (beide 2000), "Kinder der Furcht", "Meine Frau die Schauspielerin", Yves Simoneaus TV-Mehrteiler "Napoleon" (alle 2001), "Les frères Hélias" (Kurzfilm), "Marie Marmaille" (alle 2002), die Comic-Verfilmung "La Légende de Parva" (Stimme), "Petites coupures" mit Daniel Auteuil und Kristin Scott Thomas (beide 2003), "Ich darf nicht schlafen" (2004), "Foon" (2005), "Paris, je t'aime" (2006), "Die zweigeteilte Frau", "Chanson der Liebe", "Ein Geheimnis", "Molière" (alle 2007), "Public Enemy No. 1 - Mordinstinkt", "Public Enemy No. 1 - Todestrieb" (beide 2008) sowie "Barfuß auf Nacktschnecken" (2010). Darüber hinaus übernimmt Ludivine auch gerne Rollen am Theater. So spielte sie etwa in Paris in Marivaux' "Spiel der Liebe" oder in Oscar Wildes "The Importance of Being Earnest".
Weitere Filme mit Ludivine Sagnier: "Die Liebenden" (2011).