Figlia dello psicanalista e compositore Giulio Di Majo, professore ordinario di psicologia all'Università degli Studi di Napoli Federico II e di Adele Nunziante Cesaro, dopo essersi laureata in Lettere e Filosofia inizia a studiare il violino, ma poi si dedica al teatro e al cinema, collaborando con Mario Martone come assistente regista nei suoi spettacoli e in tre film, L'amore molesto, un episodio de I vesuviani e in Teatro di guerra.
Nel 1997 dirige Spalle al muro, con il quale si aggiudica l'anno seguente il David di Donatello per il miglior cortometraggio, al quale ne segue un secondo, Era una notte buia e tempestosa. Nel 1999 dirige il suo primo lungometraggio, Autunno, dove interpreta anche il ruolo principale di Costanza, al quale seguono L'inverno (2002), Matrimoni e altri disastri (2010) e diversi documentari, tra cui Merci, su Natalie Silva, U 92 su Peter Greenaway, Marsyas su Anisch Kapoor e La musica, l'amicizia, il gioco, su Hans Werner Henze.
Ha lavorato anche come attrice, videoartista, performer, sceneggiatrice, produttrice e scrittrice, con i libri L'inverno, Saggi e dialoghi sul cinema e Beniamino o le cose dell'altro mondo.
È la sorella della sceneggiatrice Ippolita – moglie di Mario Martone – e del giornalista Pietro. Vive tra Roma, Napoli e Milano.