A 13 anni intraprende la carriera cinematografica influenzata dall'ambiente familiare, usando come pseudonimo il cognome della madre distinguendosi così dalla sorella che ha mantenuto il cognome paterno.
Fino ai primi anni '60 recita piccole parti, finchè Roger Vadim decide di lanciarla in "Il vizio e la virtù" del 1962. L'anno seguente, con il musical "Le parapluies de Cherbourg" di Jacques Demy si fa notare dalla critica e dal pubblico, ma il film che la lancia a livello internazionale è "Bella di giorno" di Luis Buñuel del 1967. Grande professionista è richiesta sia dalle produzioni francesi che internazionali, arrivando sino ad Hollywood.
Nel 1980 vince un premio César come miglior attrice per "L'ultimo metrò' " di F. Truffaut. Ne riceve un secondo nel '92 con il film "Indocina " di Régis Wargnier, interpretazione che le vale anche una nomination per l'Oscar. Nel 1998 le viene attribuita la Coppa Volpi alla Mostra del Cinema di Venezia per l'interpretazione di Marianne in "Place Vendôme" di Nicole Garcia.
Ottiene il ruolo di Cathy in "Dancer in the dark", il musical con la cantante islandese Björk presentato a Cannes 2000.
Ha sostituito Brigitte Bardot come modello per la Marianna in occasione del bicentenario della Repubblica Francese. Nel '94 è nominata presidente del Fondo Unesco Fiaf per la salvaguardia del patrimonio filmico.
Gira "Au Plus Pres Du Paradis" (2002) con William Hurt e "8 donne e un mistero" (2002) un mix tra una commedia, un giallo e un poliziesco diretto da Francois Ozon.
Nel 2004 è stata protagonista accanto a Gerard Depardieu in "I Tempi Che Cambiano" ed ha interpretato una psichiatra in "I Re e la Regina" di Arnaud Desplechin.
E' apparsa accanto a Monica Bellucci in "Le Concile de Pierre" (2006) di Guillaume Nicloux e nella commedia "Raccondo di Natale" (2008).