Vartolomei nació el 9 de abril de 1999 en Bacău (Rumania).[1][2] Con diez años debutó en el cine interpretando uno de los papeles principales en My Little Princess (2011), junto a Isabelle Huppert. Inspirado en la infancia de la directora, Eva Ionesco, este primer papel le valió una nominación al premio Lumières a la mejor actriz revelación. Al año siguiente, en el Festival Internacional de Cine de Cannes, fue elegida para el cartel de la Semana de la Crítica.[3][4] Más tarde interpretó papeles secundarios en películas como Jacky en el reino de las niñas (2014) o L'Idéal (2016). En 2017, interpretó a uno de los personajes protagonistas de L'Échange des princesses.
En 2021, protagonizó la película L'Événement, dirigida por Audrey Diwan y que ganó el León de Oro en el Festival de Cine de Venecia.[5][6] Por este papel, en 2022 recibió el Lumière a la mejor actriz y luego el César a la mejor esperanza femenina.[7]
Vartolomei es el rostro de la marca de accesorios Maison Michel, una subsidiaria de Chanel,[8] y el rostro de los productos de la línea YAM de la marca Bonpoint.[9]
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