Figlia di un banchiere anglo-irlandese e di una baronessa olandese, Audrey trascorre il periodo della seconda guerra mondiale in Olanda, dove studia recitazione e danza. Inizia la carriera d'attrice quando, dopo la guerra, si trasferisce a Londra con la madre. Ma l'incontro importante, che segna una svolta decisiva, è a Montecarlo, durante le riprese del film "Monte Carlo Baby" dove incontra la scrittrice ottantenne Colette che la vuole come protagonista nella versione teatrale del suo romanzo "Gigi".
Debutta a Broadway il 24 novembre 1951 ed è un clamoroso successo. Da qui inizia la sua scalata cinematografica. Il primo film importante, in cui vince l'Oscar come migliore attrice, arriva nel 1953 con il ruolo della graziosa principessa Anna in "Vacanze romane" di William Wyler. L'anno successivo, a fianco di Humphrey Bogart e William Holder che s'innamorerà perdutamente di lei, è la protagonista del film "Sabrina" di Billy Wilder, ruolo che le vale una nomination. Seguono poi "My fair lady" ('64) di G. Cukor; "Cenerentola a Parigi" (1957) di Stanley Donen; "Verdi dimore" (1959) diretta da Mel Ferrer, "Colazione da Tiffany" (1961), altra nomination all'Oscar, di Blacke Edwards. Sui toni romantici si colloca la sua interpretazione di Natascia in "Guerra e pace" (1956) di King Vidor.
Nel 1959 gira "Storia di una monaca" di Zinneman e nel 1967 "Due per la strada" di Donen, che è forse il ruolo più rivelatore del suo talento e "Gli occhi della notte" di Terence Young. Dal 1967 si ritira dalle scene, riapparendo solo saltuariamente sugli schermi. Nel 1989 viene chiamata da Spielberg per interpretare la parte di un angelo nel film "Per sempre", e questa sarà la sua ultima interpretazione. Tornata da una missione umanitaria in Somalia, si ammala di cancro al colon e muore in Svizzera l'anno dopo, il 20 gennaio del 1993.