Adèle Haenel grandit à Montreuil en Seine-Saint-Denis. Sa mère est enseignante et son père, autrichien, est traducteur{{,}}. Elle suit des cours de théâtre et obtient, à treize ans, et à la faveur d'un casting sauvage, le premier rôle dans Les Diables aux côtés de Vincent Rottiers{{,}}. Elle se fait particulièrement remarquer en 2007 pour son rôle de Floriane dans le premier film de Céline Sciamma, Naissance des pieuvres, pour lequel elle est nommée aux Césars 2008. Elle poursuit alors ses études en entrant en Classes préparatoires économiques et commerciales puis en école de commerce. En 2009 elle tourne en Suisse Déchainées un téléfilm de Raymond Vouillamoz pour lequel sa prestation sera multi-primée dans les festivals de télévision.
Adèle Haenel reprend les tournages de cinéma en 2010 et en 2011. Elle est à l'affiche de trois films présents dans différentes catégories lors du Festival de Cannes 2011 dont L'Apollonide : Souvenirs de la maison close de Bertrand Bonello{{,}}. Elle obtient le César de la meilleure actrice dans un second rôle le 28 février 2014, pour le film Suzanne. Au moment de recevoir son trophée, elle fait son coming out en déclarant son amour pour sa compagne Céline Sciamma{{,}}.
En mars 2014, elle joue au théâtre de Gennevilliers dans la première pièce de Valérie Mréjen Trois hommes verts, aux côtés de Pascal Cervo, Gaëtan Vourc’h et Marie Losier. La pièce est reprise au Centre dramatique national Orléans/Loiret/Centre, au centre national d'art et de culture Georges-Pompidou à Paris et au festival Automne en Normandie 2014.
Elle joue ensuite dans Les Combattants de Thomas Cailley. Le film, présenté dans le cadre de la Quinzaine des réalisateurs au festival de Cannes 2014, remporte quatre prix, notamment l'Art Cinema Award et le Prix FIPRESCI de la Quinzaine. En 2015, elle reçoit le César de la meilleure actrice pour ce film, un an après avoir été récompensée comme meilleur second rôle pour Suzanne.