Отец — врач-дантист, мать — член Ассоциации по борьбе с безграмотностью. В детстве Одри увлекалась биологией, однако родители уговорили дочь посещать занятия театрального мастерства в лицее, где она училась. Когда девочка окончила лицей, родители оплатили ей двухнедельный курс в парижской театральной школе «Кур-Флоран».
Одри окончила музыкальную школу по классу фортепиано и гобоя. Хорошо знает немецкий язык и хорошо говорит по-английски.
Попав на актёрские курсы, Одри окончательно решила связать свою жизнь с театром и кино. Переехав в Париж, она училась, работала секретаршей, снималась в сериале на телеканале TF1 о сыщице Жюли Леско.
Свою первую роль Одри Тоту сыграла в телевизионном фильме «Сердце мишени» (1996), после чего исполнила несколько небольших ролей в телефильмах и сериалах.
В 1998 году она победила в конкурсе юных дарований. Эта победа принесла ей первую заметную роль в кино — в фильме 1999 года «Салон красоты „Венера“» Тони Маршалла. После этого фильма была замечена критиками, её карьера стала стремительно развиваться. Жюри «Премии Сюзанны Бянчетти» вручило ей главный приз.
Зрителям во всём мире Тоту известна, прежде всего, как главная героиня фильма «Амели» 2001 года (режиссёр — Жан-Пьер Жёне). Главная героиня фильма Амели Пулен во Франции и во многих других странах (например, в Японии) стала объектом поклонения — как и всё, что с ней связано. Родители стали называть именем Амели своих новорождённых девочек. Кафе «Две Мельницы», реально существующее на Монмартре, стало после выхода фильма пользоваться огромной популярностью. Фильм «Взмах крыльев мотылька» был воспринят публикой и рекламировался прокатчиками как «Амели-2», хотя был снят ещё в 2000 году, то есть на год раньше «Амели». В 2004 Тоту снялась в главной роли ещё в одном
фильме Жёне — «Долгая помолвка».
Следующей её крупной ролью, сравнимой с ролью Амели, стала главная женская роль в фильме 2006 года «Код да Винчи», в котором Тоту снялась с Томом Хэнксом.
В 2009 году Тоту, сыграв легенду моды Коко Шанель в полнометражном фильме-биографии «Коко до Шанель» (Coco avant Chanel), который описывает восхождение иконы стиля от певицы кабаре до гуру дизайна, стала лицом марки французских духов Chanel No. 5, сменив Николь Кидман.
В 2010 году Тоту дебютировала на сцене парижского театра «Мадлен», сыграв главную роль Норы в пьесе норвежского драматурга Генрика Ибсена «Кукольный дом» в постановке режиссёра Мишеля Фо, который сыграл роль адвоката Хельмера, мужа Норы.
