Odile Vuillemin est née dans la Marne d'un père ingénieur et d'une mère au foyer, avec quatre sœurs dont une jumelle (Sophie)[1],[2]. Elle déménage avec sa famille à Metz[3].
Après une classe préparatoire HEC, elle étudie à Paris la sociologie, la psychologie et les langues étrangères (chinois et tahitien). Elle souhaite devenir ethnologue mais se découvre une passion pour le théâtre[4]. Elle abandonne ses études et suit les cours Simon puis décroche en 2001, un premier rôle au cinéma dans Le Doux amour des hommes.
De 2009 à 2016, elle joue sur TF1 le personnage de Chloé Saint-Laurent dans la série à succès Profilage. Le , elle annonce son départ au début de la septième saison.
Latitudes - Sillonner le monde pour trouver son propre chemin, Michel Lafon, 2022, ouvrage qui fait l'objet d'une exposition du 1er au 11 juin 2022 à la Galerie 15, Paris[9],[10].
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