Léa Seydoux de son vrai nom Léa Hélène Seydoux Fornier de Clausonn est la fille de Valérie Schlumberger, de la famille Schlumberger, et de l'entrepreneur Henri Seydoux, et la petite-fille de Jérôme Seydoux, le président de Pathé. Elle est également la petite-nièce de Nicolas Seydoux, le président de Gaumont, et de Michel Seydoux, le président du LOSC. Elle est aussi la cousine de Sidonie Dumas, l'actuelle présidente-directrice générale du groupe Gaumont.

Elle grandit dans le 16ème arrondissement de Paris et entourée de célébrités comme Christian Louboutin. Après le lycée, amoureuse d'un comédien elle prend des cours de théâtre, notamment à l'école de théâtre Les Enfants Terribles, dirigée par Jean-Bernard Feitussi.