Die Tochter des Theaterschauspielers und -regisseurs Alain Doutey und der Filmschauspielerin Arielle Séménoff machte ihr Abitur und trat 1996 in das Konservatorium für Drama (CNSAD) in Paris ein, wo sie eine Schauspielausbildung erhielt. Bereits 1997 hatte sie eine Rolle in Jean-Charles Taccellas Spielfilm Les gens qui s’aiment (1998), in französischen Fernsehserien übernahm sie danach Gastrollen.
Im Jahr 2002 wurde Doutey mit einer tragenden Nebenrolle in Pierre Jolivets Film Le Frère du guerrier an der Seite von Guillaume Canet erstmals einem größeren Publikum bekannt. Ihren internationalen Durchbruch hatte sie in der Rolle der Michèle Charpin-Vasseur in Claude ChabrolsDie Blume des Bösen.
Doutey war von 2002 bis 2013 mit Schauspieler Gilles Lellouche liiert; der Beziehung entstammt eine Tochter (* 2009).