Chanteuse, danseuse, musicienne et actrice, Judith Chemla s'est fait connaître du grand public grâce au rôle de Josepha dans Camille redouble (Lvovsky), sorti en 2012.
Elle naît en 1985 d'un père violoniste et d'une mère avocate qui se destinait d'abord au métier de danseuse. À 7 ans, elle décide de suivre les pas de son père mais arrête le violon sept ans plus tard. À l'adolescence, elle découvre alors le théâtre avec le metteur en scène Emmanuel Demarcy-Mota puis entre rapidement au Conservatoire national supérieur d'art dramatique de Paris (CNSAD), dont elle sort diplômée en 2007.
Elle fait ses débuts au cinéma dans Hellphone (2006) puis rejoint en décembre 2007 la Comédie Française, où elle joue dans Le Misanthrope (Molière) et L'Illusion comique (Corneille). Au théâtre, elle se produit également dans Figaro divorce (Horváth) et La Grande Magie (De Filippo).
Elle poursuit sa carrière au cinéma grâce à Noémie Lvovsky dans Faut que ça danse ! (2007). De plus en plus sollicitée, elle joue sous la direction de Bertrand Tavernier (La Princesse de Montpensier, 2010), Pierre Salvadori (De vrais mensonges, 2010) et Pierre Schöller (Versailles, 2008).
Pour son rôle dans Camille redouble, film largement salué par la critique et plébiscité par le public, la jeune actrice reçoit le prix du Meilleur espoir féminin lors du Festival du film de télévision de Luchon et le Prix Lumière en 2013.
Sa carrière prend alors un tournant considérable en 2016, suite au film Une vie de Stéphane Brizé : le rôle de Jeanne lui vaut d’être nommée pour le César 2017 de la meilleure actrice.
Elle joue ensuite dans Maya (Hansen-Løve), Traviata, vous méritez un avenir meilleur (Leconte, 2018) et plus récemment, Lune de miel (Otzenberger), Vif argent (Batut), Le Voyage du siècle (Dahan), Les Cobayes (Poulain) et The End of Love (Ben Rafael, 2019).
A la télévision, on peut la voir dans le quatrième volet de la série policière Engrenages (2012, Canal +).