Céline Sciamma è nata a Pontoise il 12 novembre 1978. Dopo aver conseguito la laurea magistrale in letteratura francese, frequenta la scuola parigina di cinema La Fémis, dove si diploma in sceneggiatura.

Dopo aver collaborato alla sceneggiatura di due cortometraggi, Les Premières communions (2004) e Cache ta Joie (2006), entrambi diretti da Jean-Baptiste de Laubier, debutta alla regia nel 2007 con il lungometraggio Naissance des pieuvres, scritto quando ancora frequentava La Fémis, e conosciuto a livello internazionale con il titolo inglese Water Lilies. Presentato nella sezione Un Certain Regard al 60º Festival di Cannes, il film si è aggiudicato il Premio Louis-Delluc per la migliore opera prima, il Prix de la Jeunesse al Festival du film de Cabourg, ed è stato nominato per la migliore opera prima ai Premi César 2008. 

Nel 2011 vince il Teddy Award al Festival internazionale del cinema di Berlino, il premio Ottavio Mai, il premio del pubblico e il premio come miglior film al Torino GLBT Film Festival per il suo secondo lungometraggio Tomboy. Nel 2014 dirige il suo terzo lungometraggio Diamante nero, fra i finalisti del Premio LUX. Per la realizzazione del film, Sciamma si affidò ad un cast composto da attrici non professioniste. La pellicola chiude la cosiddetta Trilogia della giovinezza, iniziata con Water Lilies e proseguita con Tomboy.

Nel 2019 vince il Prix du scénario al 72º Festival di Cannes e l'European Film Award per la miglior sceneggiatura agli European Film Award per Ritratto della giovane in fiamme. Ritratto della giovane in fiamme è stato votato come il 30º più grande film mai realizzato nella storia del cinema, il posizionamento più alto fra i film usciti negli anni 2010. Grazie a questa pellicola inoltre, Sciamma si è aggiudicata la Queer Palm, diventando la prima donna ad aver ottenuto tale riconoscimento.

Nel 2021 dirige il suo quinto lungometraggio Petite Maman. Presentato in anteprima alla 71ª edizione del Festival di Berlino, il film ha vinto il premio come miglior film alla 19ª edizione di Alice nella città.