Linh-Dan Pham fait ses premiers pas au cinéma dans le film Indochine de Régis Wargnier, où elle y joue la fille adoptive du personnage interprété par Catherine Deneuve et pour lequel elle est nommée au César du Meilleur Espoir Féminin. Après cette première expérience, elle disparaît pendant dix ans de la scène pour se consacrer à ses études. Elle s'installe ensuite à New York, pour y suivre des cours de la méthode Actors Studio au Lee Strasberg Theatre & Film Institute. Revenue en France, elle reprend sa carrière de comédienne et enchaîne les tournages des films Les Mauvais Joueurs de Frédéric Balekdjian, puis De Battre Mon Cœur S'est Arrêté de Jacques Audiard. Ce dernier film, dans lequel elle donne la réplique à Romain Duris, lui vaut le César du Meilleur Espoir Féminin, treize ans après sa première nomination pour ce même prix.Elle retrouve ensuite Régis Wargnier pour Pars Vite Et Reviens Tard, puis apparaît dans des films comme Dante 01 de Marc Caro, Le Bruit Des Gens Autour de Diastème, Tout Ce Qui Brille de Géraldine Nakache et Hervé Mimran, Ninja Assassin de James McTeigue, Mr. Nobody de Jaco Van Dormael, Le Bal Des Actrices de Maïwenn, Qu'un Sang Impur d'Abdel Raouf Dafri, ou plus récemment dans Blue Bayou de Justin Chon. En parallèle, elle poursuit sa carrière en tournant dans de nombreuses séries, on la découvre dans le rôle de Brigitte dans la série Mytho, Mei dans Faites des Gosses, et Sylvie dans Or de Lui. En 2023, elle incarne l'impératrice de Chine dans Astérix & Obélix: l'Empire du Milieu, réalisé par Guillaume Canet, aux côtés notamment de Vincent Cassel, Marion Cotillard, Jonathan Cohen et Gilles Lellouche.