Nel circuito professionistico si è aggiudicata due titoli WTA in singolare, tra cui il Premier di San Pietroburgo nel 2017, raggiungendo in totale undici finali. Ha raggiunto la decima posizione, suo best ranking, il 23 ottobre dello stesso anno.
Ottima doppista, ha accumulato complessivamente dieci titoli del Grande Slam, di cui sette nel doppio femminile e tre nel misto. Nel doppio femminile, ha vinto trenta titoli WTA su 46 finali disputate, tra i quali spiccano le quattro vittorie all'Open di Francia, le due vittorie all'Australian Open e le due vittorie consecutive delle WTA Finals. Il 10 giugno 2019, in seguito al secondo trionfo parigino in questa specialità, si è spinta fino alla posizione numero uno del ranking mondiale. In doppio misto ha trionfato a Wimbledon 2013, agli Australian Open 2014 e agli Australian Open 2022.
Carriera
Junior Nel 2007 giocò con la connazionale e coetanea Amandine Hesse all'Open di Francia 2007 - Doppio ragazze senza superare il primo turno, proprio come accadde nel singolo. Nel corso del 2008 all'US Open 2008 - Singolare ragazze arrivò in semifinale venendo sconfitta da Coco Vandeweghe, l'anno dopo ha partecipato all'Australian Open 2009 - Doppio ragazze in coppia con la rumena Elena Bogdan terminando ai quarti di finale.
Vinse l'Open di Francia 2009 - Singolare ragazze battendo in finale con un punteggio di 6–3, 6–2 Dar'ja Gavrilova, mentre al torneo di Wimbledon 2009 - Singolare ragazze arrivò in finale venendo sconfitta da Noppawan Lertcheewakarn (6-3, 3-6, 1-6). Stessa sorte le toccò al doppio dove la Lertcheewakarn con Sally Peers vinsero in finale con un punteggio di 6-1, 6-1 la Mladenovic che giocò in coppia con Silvia Njirić.
2011-2013: semifinale agli US Open e finale al Roland Garros in doppio misto Nel 2011 raggiunge, per la prima volta, una finale WTA a Copenaghen in coppia con Katarzyna Piter.
Nel 2012 inizia a frequentare con maggiore continuità il circuito maggiore WTA, ottenendo soprattutto in doppio risultati di rilievo, come il terzo turno agli Australian Open in coppia con Petra Martić, le semifinali di Doha in coppia con la Jans-Ignacik, e, sempre in coppia con la polacca, la vittoria a Montreal superando in finale Petrova e Srebotnik. In singolare conquista le prime vittorie in carriera in un torneo Slam agli US Open dove, ammessa con una wild card, elimina Eraković e Pavlyučenkova prima di perdere al terzo turno contro Marion Bartoli. Sempre in Canada, a Quebec City conquista il mese dopo il secondo titolo in doppio, stavolta in coppia con la tedesca Maria, riuscendo a spingersi, partendo dalle qualificazioni, fino alla semifinale anche in singolare. A novembre fa bottino pieno nel WTA 125s di Taipei conquistando sia il titolo in singolare (batte in finale la Kai-chen Chang) che in doppio (in coppia con Hao-ching Chang). Chiude l'anno per la prima volta tra le prime cento sia in doppio (28ª) che in singolare (76ª).
Nel 2013 inizia subito con un buon risultato in singolare a Parigi dove raggiunge la semifinale battendo nei quarti la numero sette del mondo Kvitová e perdendo poi con la futura vincitrice del torneo Barthel. In febbraio si impone in doppio a Memphis in coppia con Galina Voskoboeva, poi si spinge di nuovo fino alla semifinale in singolare a Florianapolis, dove era settima testa di serie, quando viene sconfitta dalla Niculescu. Il quinto titolo WTA in doppio arriva a Charleston dove, in coppia con la Šafářová, supera in finale le numero uno del tabellone, Hlaváčková e Huber. In primavera prima arriva in finale, con Petra Martić, a Marrakech, poi conquista il terzo titolo in stagione a Oeiras di nuovo in coppia con Hao-ching Chang.
Per la prima volta arriva fino ai quarti in uno Slam, sempre in doppio, a Parigi con la Voskoboeva, arrestandosi solo di fronte alle future vincitrici del torneo Makarova - Vesnina; nello stesso torneo raggiunge la finale nel doppio misto in coppia con il canadese Daniel Nestor, con il quale conferma il duo anche a Wimbledon: il 7 luglio 2013, battono in finale 5-7, 6-2, 8-6 il brasiliano Bruno Soares e la statunitense Lisa Raymond, conquistando il titolo; si tratta della prima vittoria di una francese dopo il successo di Mary Pierce nel 2005.
In estate si impone, ancora in doppio, a Palermo, insieme alla polacca Piter, mentre, agli US Open, ottiene il miglior risultato ancora nel doppio misto in coppia con Nestor, raggiungendo la semifinale. L'ultimo titolo dell'anno arriva in ottobre ad Osaka dove, con Flavia Pennetta, superano in finale Stosur e Zhang. Il buon andamento della stagione è confermato dal miglioramento in classifica sia in singolare, dove raggiunge la posizione 56, che in doppio, dove chiude l'anno al diciottesimo posto mondiale.
2014: vittoria agli Australian Open in doppio misto e finale a Wimbledon in doppio
Nel 2014, in coppia con Daniel Nestor, ottiene il suo secondo titolo slam, il primo Australian Open, del doppio misto con la vittoria per 6-3 6-2 sul duo Mirza/Tecau. Sempre in apertura di stagione conquista l'accesso in finale sia a Brisbane (con la Voskoboeva) che a Parigi (con Timea Babos) ma in entrambe le occasioni perde l'occasione di arricchire il proprio palmares, rimediando ad Acapulco, ancora con Voskoboeva, dove conquista il nono trofeo di doppio in carriera. I mesi successivi sono piuttosto avari di risultati: solo a giugno torna a disputarsi una finale, ancora in doppio, sull'erba di 's-Hertogenbosch dove, in coppia con la Krajicek, non riesce a superare il duo Parra Santonja-Eraković. A Wimbledon 2014, nel doppio, raggiunge la finale giocando di nuovo con l'ungherese Babos, ma nell'atto finale vengono battute dalle italiane Errani - Vinci; non riesce a confermare il titolo di doppio misto, spingendosi comunque, sempre con Nestor, fino alla semifinale.
Il primo importante risultato in singolare arriva invece a Istanbul dove elimina Mayr-Achleitner, la numero tre del torneo Koukalová e Schiavone prima di arrendersi in semifinale alla ex numero uno del mondo Wozniacki per 2-6, 3-6; di rilievo anche i due quarti di finale consecutivi conquistati a Baku e Washington in luglio, preludio alla quinta finale stagionale in doppio conquistata a Cincinnati, sempre insieme alla Babos; dopo essersi prese una rivincita nei confronti di Errani e Vinci nei quarti, sono costrette al ritiro nel secondo set della finale. A novembre raggiunge di nuovo una doppia finale in un WTA 125s a Limoges ma viene sconfitta in finale sia in singolare, da Tereza Smitková, che, ancora con la Babos, in doppio. Per la prima volta dopo cinque anni di continui miglioramenti, chiude dunque l'anno con una posizione peggiore rispetto alla stagione precedente, scendendo in singolare all'ottantunesimo posto del ranking, mentre riesce a mantenersi tra le prime venti del mondo in doppio.
2015: quarti di finale all'US Open
Agli Australian Open esce al secondo turno sia in singolare che in doppio, ma riesce a raggiungere per la seconda volta consecutiva la finale nel doppio misto: Mladenovic e Nestor non riescono però a confermare il titolo del 2014 cedendo in finale a Martina Hingis e Leander Paes.
A quasi un anno dall'ultimo successo, si impone sempre in coppia con Babos, a Dubai battendo in finale Muguruza e Suárez Navarro. In singolare raggiunge per la prima volta i quarti a Monterrey, dove viene estromessa dalla numero uno del tabellone Ivanović e in seguito supera due turni anche a Key Biscane, dove raggiunge la semifinale in doppio. Come nel 2013 gioca un buon torneo a Marrakech: in singolare perde in semifinale al cospetto della compagna di doppio Babos, insieme alla quale però si aggiudica il trofeo di doppio. Anche a Roma la coppia franco magiara riesce ad imporsi, stavolta avendo la meglio sul duo numero uno del torneo, Hingis - Mirza per 6-4, 6-3.
Nel maggio 2015 accede alla prima finale WTA International della carriera, a Strasburgo dove viene battuta da Samantha Stosur per 6-3 2-6 3-6; poi ottiene per la prima volta in carriera due vittorie nello Slam di casa, superando a Parigi Bouchard e Kovinic. Buone anche le prestazioni sull'erba, con i quarti di 's-Hertogenbosche la semifinale di Birmingham, che precedono le prime due vittorie in carriera in singolare a Wimbledon (contro Dulgheru e Ostapenko) e la semifinale in doppio, poi persa contro Makarova e Vesnina. Per la prima volta in coppia con Belinda Bencic si impone a Washington per poi mettere a segno la migliore prestazione in carriera in uno Slam: agli Us Open infatti riesce a battere Kuznecova, Jovanovski, Kasatkina e Makarova arrivando a disputare i suoi primi quarti di finale Slam contro Roberta Vinci dalla quale viene però eliminata in tre set. Grazie ai buoni risultati ottenuti nei 17 tornei giocati insieme, partecipa insieme alla Babos alle WTA Finals di Singapore dove però ottengono solo una vittoria nei tre incontri del girone rosso. Al termine della stagione la tennista francese può vantare la ventinovesima posizione nel ranking di singolare e la nona in quello di doppio.
2016: 1º Roland Garros, finale agli US Open, quattro tornei WTA stagionali e Top 3 in doppio
Inizia l'anno malamente perdendo dalla connazionale Alizé Cornet nel primo turno per 3-6 4-6. A Sydney perde nuovamente da una francese, stavolta per mano di Caroline Garcia per 6-7 4-6. In doppio, invece, raggiunge la finale in coppia proprio con la Garcia. Non riescono a conquistare il titolo venendo fermata dalla coppia Hingis/Mirza per 6-1 5-7 5-10. Nell'Australian Open migliora il risultato raggiungendo il terzo turno venendo sconfitta da Dar'ja Gavrilova per 4-6 6-4 9-11. A San Pietroburgo viene sconfitta al terzo set da Laura Siegemund. Nel torneo di Dubai estromette Lesja Curenko, per poi arrendersi contro Coco Vandeweghe per 5-7 6-3 4-6. In coppia con la Garcia raggiunge la finale, ma vengono nuovamente sconfitte con un doppio 4-6. In Qatar, agli Indians Wells e a Miami viene estromessa al primo turno rispettivamente da Barbora Strýcová, Julija Putinceva e Nicole Gibbs; mentre a Charleston sconfigge Tatjana Maria per 6-4 6-3, ma viene rimontata a sorpresa da Mirjana Lučić-Baroni per 6-7 nel terzo set. In doppio, invece, si aggiudica il torneo in coppia con Garcia. A Stoccarda viene fermata da Andrea Petković in due set nel primo turno; mentre in doppio, lei e Garcia, si rifanno sulla coppia Hingis/Mirza per 2-6 6-1 10-6 in finale. Nel masters di Madrid viene eliminata nuovamente dalla Lučić-Baroni per 2-6 3-6, ma in doppio si aggiudica il torneo battendo nuovamente Hingis/Mirza (6-4 6-4). A Roma viene estromessa nettamente nel primo turno da Jeļena Ostapenko con un risultato di 3-6 1-6. Nel torneo di Stasburgo raggiunge la semifinale venendo nuovamente dalla croata Lučić-Baroni, stavolta con un risultato ancora più netto: 1-6 1-6.