Delphine Horvilleur est née à Nancy. Ses grands-parents paternels sont originaires d’Alsace-Lorraine et ses grands-parents maternels sont issus des Carpates, « survivants des camps de concentration, où ils avaient perdu chacun conjoint et enfants », ayant migré ensuite en France et y ayant fondé une famille.
L’un de ses premiers enseignants du judaïsme est Haïm Korsia, lorsqu’elle était enfant et lui rabbin de Reims.
Delphine Horvilleur entame des études de médecine à l’université hébraïque de Jérusalem, sans les terminer, période pendant laquelle elle est également mannequin, puis étudie le journalisme au CELSA à Paris. Elle travaille comme journaliste à France 2 de 2000 à 2003, y compris au bureau de France 2 à Jérusalem avec Charles Enderlin, puis à RCJ de 2003 à 2008, à New York où elle est correspondante.
Elle intègre le séminaire rabbinique du mouvement réformé Hebrew Union College (en) à New York. En mai 2008, elle en reçoit son ordination rabbinique (semikha) et devient rabbin du Mouvement juif libéral de France.
À ses débuts, elle y officie auprès des rabbins Daniel Farhi, Stephen Berkovitz et Celia Surget. Elle travaille aujourd’hui avec les rabbins Yann Boissière et Floriane Chinsky.