Marie-Josée Croze grandit dans une banlieue modeste de Montréal, au sein d'une famille d'adoption qui compte quatre autres enfants. Adolescente réservée et tourmentée qui s'épanouit sur les planches, elle enchaîne bientôt les rôles dans des séries télévisées canadiennes.

C'est dans un film de Gilles Carle, La Postière, que la comédienne fait sa première apparition sur grand écran en 1992. Remarquée dans La Florida, elle fait ensuite un premier séjour en France, pour y tourner le moyen-métrage HLA identique. Elle accède la même année à la reconnaissance grâce à Maelström de Denis Villeneuve, qui fait le tour des festivals et lui vaut le Genie - le "Cesar" canadien - de la meilleure actrice.

Marie-Josée Croze prend part en 2001 à Ararat, réalisé par l'un de ses plus fameux compatriotes, Atom Egoyan, et dans lequel elle campe avec justesse une jeune femme révoltée et avide de vérité. Mais c'est avec une autre oeuvre chorale, Les Invasions barbares de l'impertinent Denys Arcand que vient la consécration : l'actrice décroche, grâce à sa subtile prestation de junkie, tout en violence contenue, le Prix d'interprétation féminine à Cannes en 2003.

Le public français sous le charme de la Québecoise, qui tourne alors avec des auteurs comme Laurence Ferreira Barbosa ou Jean-Pierre Denis (La Petite Chartreuse) et donne la réplique à Edouard Baer dans Mensonges et trahisons (2004).

Désormais associée à des projets de grande envergure, elle est choisie par Spielberg pour incarner une espionne aussi redoutable que troublante dans Munich en 2006. La même année, Marie-Josée Croze hante Ne le dis à personne au coté de François Cluzet dans le film de Guillaume Canet et interprète la mère de Jacquou Le Croquant.