Armelle Deutsch wurde 1979 im 30 km westlich von Marseille gelegenen Martigues geboren. Aufgewachsen ist sie in der an der Meeresbucht Étang de Berre gelegenen Gemeinde Rognac. Im Alter von 18 Jahren begann sie ihre Ausbildung an der privaten Schauspielschule Cours Florent in Paris. Ihr Debüt in einem Kinofilm gab Deutsch 2001 in der von Regisseur Francis Veber inszenierten Filmkomödie Ein Mann sieht rosa in einer Nebenrolle. Ihre erste tragende Rolle spielte sie 2004 in der Komödie Nos amis les flics. In der zwischen 2004 und 2007 gedrehten Fernsehserie Élodie Bradford spielte sie die Titelrolle. Armelle Deutsch wurde im deutschsprachigen Raum vor allem durch die Rolle der Margot in der 2012 in ARD und ORF ausgestrahlten internationalen Koproduktion Henri 4 bekannt.
Armelle Deutsch ist seit Juni 2010 mit dem Schweizer Schauspieler Thomas Jouannet verheiratet.