Naissance et enfance à Rome, débuts au théâtre, premier rôle au cinéma
Elle naît à Rome en 1962 et grandit dans le quartier Coppedè. Elle possède des ancêtres français du côte de son père et a des origines toscanes du côté de sa mère. Son arrière grand-père, Tito Buy(it), a fondé en 1902 le club de football Vicence Calcio. Diplômée du lycée Azzarita de Rome, elle décide de ne pas poursuivre d'études universitaires pour se lancer dans une carrière d'actrice. Elle suit alors les cours de l'académie nationale d'art dramatique et commence à jouer au théâtre.
En 1991, elle commence à collaborer avec Giuseppe Piccioni qui le dirige dans le road-movie Chiedi la luna, aux côtés de Giulio Scarpati. En 1992, elle se voit offrir par Carlo Verdone le rôle principal de la comédie Maledetto il giorno che t'ho incontrato, dont il est également le réalisateur. Incarnant dans ce film une jeune actrice névrotique et instable et formant un duo parfait avec Verdone, elle excelle dans ce rôle et voit sa popularité grandir en Italie, obtenant pour ce film le premier Globe d'or de la meilleure actrice de sa carrière et le prix Flaiano de la meilleure actrice.
Années 2000, rencontre avec Özpetek et Moretti, succès confirmé en Italie
En 2000, elle joue des rôles légers dans les drames Tutto l'amore che c'è de Sergio Rubini et Controvento de Peter Del Monte. En 2001, elle joue le rôle d'une veuve qui découvre l'homosexualité de son défunt mari et rencontre puis se lie d'amitié avec son amant dans le drame Tableau de famille (Le fate ignoranti) de Ferzan Özpetek. Elle obtient pour ce rôle un second Ruban d'argent et un troisième Globe d'or.
Au printemps 2006 sort le film Le Caïman (Il Caimano) de Nanni Moretti dans lequel elle joue le rôle d'une ancienne actrice de Série B, ancienne épouse d'un producteur à la dérive joué par Silvio Orlando et qui tente de sortir un dernier film ambitieux sur l'histoire de Silvio Berlusconi. Elle obtient pour ce rôle un nouveau Ruban d'argent et un nouveau Ciak d'oro. La même année, elle tient pour Giuseppe Tornatore un petit rôle, celui de l'avocate de Ksenia Rappoport dans le film noir L'Inconnue (La Sconosciuta) et participe à la comédie légère Commediasexi d'Alessandro D'Alatri.
En 2009, elle joue dans la comédie dramatique romaine Due partite d'Enzo Monteleone, inspiré par la pièce de théâtre éponyme de Cristina Comencini, et dans le drame napolitain Lo spazio bianco de Francesca Comencini, adapté du roman éponyme de la romancière Valeria Parrella. Dans ce dernier film, elle incarne le personnage de Maria, une enseignante qui accouche d'un enfant prématuré et qui doit apprendre à vivre dans l'attente et l'angoisse, en espérant que sa fille survive. Elle reçoit pour ce rôle plusieurs nominations en Italie, remportant le prix Pasinetti à la Mostra de Venise 2009 et le prix Anna Magnani lors du Bari International Film Festival. Elle collabore enfin une nouvelle fois avec Rubini pour son drame L'uomo nero.
Années 2010, nouvelles collaborations avec Tognazzi et Lucini
Au printemps 2012, elle tourne à nouveau pour Ferzan Özpetek dans la comédie fantastique romaine Magnifica presenza. Elle y incarne le fantôme d'une défunte actrice d'une ancienne compagnie de théâtre. La même année, elle tourne également à nouveau pour Piccioni dans le drame Il rosso e il blu, jouant dans ce film le rôle d'une jeune principale de lycée qui doit faire face aux difficultés générationnels de ses élèves et de son équipe. En janvier de l'année suivante sort le drame La scoperta dell'alba de et avec Susanna Nicchiarelli, film tiré du roman éponyme de l'écrivain Walter Veltroni. En avril, elle tient le premier rôle du drame Je voyage seule (Viaggio sola) de Maria Sole Tognazzi, aux côtés de Stefano Accorsi et Fabrizia Sacchi, remportant avec ce rôle un sixième David di Donatello et un neuvième Ciak d'oro. Elle termine l'année avec un rôle secondaire dans la nouvelle comédie de Sergio Rubini, Mi rifaccio vivo puis apparaît une unique fois en 2014 avec un nouveau rôle secondaire dans une comédie, Les Fortunés (La gente che sta bene) de Francesco Patierno.
Elle revient fort en 2015 avec le principal rôle féminin du drame Mia madre de Nanni Moretti dans lequel elle joue le rôle d'une réalisatrice engagée dans la réalisation d'une grosse production, alors que sa mère est en train de mourir à l'hôpital et que sa fille accumule les mauvaises notes à l'école. Présenté au festival de Cannes 2015, ce film obtient de nombreux prix en Italie, permettant à Buy de remporter un septième David di Donatello, un septième Ruban d'argent et un dixième Ciak d'oro, ainsi qu'une nomination au prix du cinéma européen de la meilleure actrice. Elle a pour partenaires dans ce film John Turturro, Giulia Lazzarini, Nanni Moretti et Beatrice Mancini. La même année, après un petit rôle dans le premier film d'Alberto Caviglia, Pecore in erba, elle forme un couple lesbien avec Sabrina Ferilli dans la comédie dramatique Io e lei de Maria Sole Tognazzi.