Elsa Zylberstein est née le 16 octobre 1968, à Boulogne-Billancourt. Elle vit une enfance tiraillée entre la religion catholique de sa mère et les traditions juives que lui inculque son père, le physicien Albert Zylberstein. Elle passe un bac littéraire et entame des études d'anglais, tout en suivant les cours de la classe libre du Cours Florent, où elle compte parmi ses professeurs Francis Huster.

Elsa Zylberstein fait une première apparition dans le film de René Féret, Baptême, en 1989, mais c'est Maurice Pialat qui lui donnera l'occasion de s'imposer, avec Van Gogh, en 1991. En effet, le cinéaste, réputé pour la vivacité de son tempérament, s'étant disputé avec la coiffeuse du tournage qui devait tenir le rôle de la prostituée Cathy, Elsa Zylberstein, engagée comme figurante, est choisie pour la remplacer au pied levé. Rôle qui lui vaudra le prix Michel Simon en 1992 et une première nomination au César du meilleur espoir féminin, et donnera une impulsion décisive à sa carrière de comédienne.

En 1993, Elsa Zylberstein est lauréate du Prix Romy Schneider, et, partageant l'affiche avec Romane Bohringer, elle interprète le rôle d'Ethel dans Mina Tannenbaum, un beau film sur l'amitié qui connaît un grand succès auprès du public.

Sur le tournage de L'Homme est une femme comme les autres, en 1997, Elsa Zylberstein rencontre Antoine de Caunes, dont elle deviendra la compagne pendant plusieurs années.

Son image contrastée de femme à la fois fragile et forte, classique et originale lui permet de développer une carrière qui oscille entre les comédies (J'invente rien, aux côtés de Kad Merad), les films intimistes (Le temps retrouvé de Raoul Ruiz ; Pourquoi (pas) le Brésil de Laetitia Masson) et les vastes fresques historiques (Jefferson à Paris ; Farinelli), sans oublier, bien sûr, les rôles tourmentés de femmes de peintre qui lui portent bonheur depuis ses débuts : Suzanne Valadon dans Lautrec, et Jeanne Hébuterne, dans Modigliani.

Pour le personnage tout en nuances qu'elle incarne aux côtés de Kristin Scott Thomas dans Il y a longtemps que je t'aime, Elsa Zylberstein obtient en 2009 le César de la meilleure actrice dans un second rôle, et en 2010, elle devient l'égérie du joaillier de luxe Mauboussin.

Filmographie :
2010 : Un baiser papillon de Karine Silla
2010 : Roses à crédit de Amos Gitaï (TV)
2009 : La Double Inconstance (TV) de Carole Giacobbi
2009 : La Folle Histoire d'amour de Simon Eskenazy de Jean-Jacques Zilbermann
2009 : La Maison Nucingen de Raoul Ruiz
2008 : Nuit de chien de Werner Schroeter
2008 : Vénus & Apollon (Série TV) de Tonie Marshall
2008 : Enfances de Yann le Gal, Isild le Besco, Joana Hadjithomas & Khalil Joreige, Corinne Gardin, Ismaël Ferroukhi et Safy Nebbou
2008 : Il y a longtemps que je t'aime de Philippe Claudel
2007 : La Fabrique des sentiments de Jean-Marc Moutout
2005 : J'invente rien de Michel Leclerc
2004 : La Petite Jérusalem de Karin Albou
2004 : La cloche a sonné de Bruno Herbulot
2004 : Pourquoi (pas) le Brésil de Laetitia Masson
2003 : Demain on déménage de Chantal Akerman
2003 : Les Grands Boulevards de Jean-Jacques Zilbermann
2003 : Modigliani de Mick Davis
2003 : Qui perd gagne ! de Laurent Bénégui
2003 : Les Yeux baissés de Martine Dugowson
2002 : Jean Moulin (TV) d'Yves Boisset
2002 : Monsieur N. d'Antoine de Caunes
2002 : Ce jour-là de Raul Ruiz
2002 : Le Beau Sexe de Yvon Marciano
2002 : Une souris verte... de Mathias Ledoux
2001 : Les Fantômes de Louba de Martine Dugowson
2001 : Un Ange de Miguel Courtois
2001 : Féroce de Gilles de Maistre
2001 : Not Afraid, Not Afraid d'Annette Carducci
2000 : Combat d'amour en songe de Raoul Ruiz
1999 : Là-bas, mon pays d'Alexandre Arcady
1999 : Je veux tout de Guila Braoudé
1998 : Le Temps retrouvé de Raoul Ruiz
1998 : L'homme est une femme comme les autres de Jean-Jacques Zilbermann
1997 : Lautrec de Roger Planchon
1997 : XXL de Ariel Zeitoun
1997 : Metroland de Philipp Saville
1996 : Portraits chinois de Martine Dugowson
1996 : Un samedi sur la terre de Diane Bertrand
1996 : Tenue correcte exigée de Philippe Lioret
1994 : Farinelli de Gérard Corbiau
1994 : Jefferson à Paris de James Ivory
1993 : Mina Tannenbaum de Martine Dugowson
1993 : La Place d'un autre de René Féret
1992 : Beau fixe de Christian Vincent
1992 : De force avec d'autres de Simon Reggiani
1991 : Amoureuse de Jacques Doillon
1991 : Van Gogh de Maurice Pialat
1991 : Génial, mes parents divorcent ! de Patrick Braoudé