En 1989, ingresó en la Academia de Música Baudour para recibir instrucción en dicción y declamación. En 1993, a la edad de doce años, comenzó a participar en las clases del taller de teatro de la academia y también se integró en la compañía teatral aficionada “La relève” de Ladeuze. Culminó sus estudios clásicos en 1998.
Realizó su debut cinematográfico en 1999 con la película Rosetta, dirigida por los Hermanos Dardenne, donde recibió el premio a la Mejor Actriz en el Festival de Cannes. Dequenne adquirió mayor fama mundial a raíz de su interpretación en El pacto de los lobos, una producción con un presupuesto de 29 millones de dólares que logró recaudar más de 70 millones de dólares en los cines internacionales. En esta película, desempeñó el papel de Marianne.
En 2008, formó parte del panel de jurados del 49° Festival Internacional de Cine de Tesalónica, que contó con la presencia de Diablo Cody y estuvo presidido por Michael Ondaatje.
En 2012, recibió el Premio Un Certain Regard a la Mejor Actriz en el Festival de Cine de Cannes de 2012 por su actuación en la película Perder la razón. Este film también le otorgó un Premio Magritte a la Mejor Actriz, así como una nominación a los Premios Satellite en la misma categoría.
En julio de 2002, dio a luz en Bélgica a su primogénita, Milla, cuyo padre fue su pareja desde 1999 hasta 2005, Alexandre Savarese.
Desde 2008, convivió con el actor francés Michel Ferracci, con quien celebró su matrimonio el 11 de octubre de 2014 en el ayuntamiento de París.
Falleció el 16 de marzo de 2025 en el hospital Gustave-Roussy de Villejuif a causa de un cáncer raramente diagnosticado del sistema endocrino.
