Juliette Binoche è figlia di uno scultore e regista di teatro e di un'attrice. I suoi studi si compiono alla Scuola Nazionale di Arte Drammatica a Parigi e dopo il diploma segue le orme materne, diventando attrice teatrale, con occasionali particine in film francesi. I primi riconoscimenti arrivano con il film "Je vous salue Marie", il controverso film di Godard del 1985 nel quale interpreta una moderna Vergine Maria. Lo stesso anno è in "Rendez vous" di André Techiné, e nel 1988 attira l'attenzione della critica internazionale con "L'insostenibile leggerezza dell'essere" di Philip Kaufman.
Dopo il grande successo ottenuto con "Il danno" di Louis Malle del 1992, al fianco di Jeremy Irons, Juliette Binoche lascia Carax e l'anno seguente è protagonista del "Film Blu" di Kieslowski, apparendo anche in piccole parti negli altri capitoli della trilogia "Film rosso" e "Film Bianco"; con la sua interpretazione vince la Coppa Volpi a Venezia come migliore attrice nel 1993.
Torna sul set dopo un periodo di pausa con "L'ussaro sul tetto", una delle più costose produzioni francesi al quale segue "Un divano a New York" del 1996, al fianco di William Hurt, e nello stesso anno "Il paziente inglese" acclamato film con il quale vince l'Oscar come migliore attrice non protagonista, il premio come migliore attrice al Festival di Berlino e il premio Europeo.
Nel 2000 è la sensuale padrona del negozio di dolci in "Chocolat", con il quale è candidata agli Oscar come miglior attrice.
Nel 2002 è la protagonista del film "Nascosto" di Michael Haneke e nel 2003 insieme a Samuel L. Jackson recita nella pellicola "In My Country".
Ha lavorato nel film di Abel Ferrara "Mary", presentato in concorso alla 62ma Mostra di Venezia (2005) ed è stata protagonista di "Parole d'amore" (2005) con Richard Gere, "Breaking And Entering" (2006) accanto a Jude Law e "Quelques jours en septembre" (2006) di Santiago Amigorena.
E' inoltre nel cast del film iraniano "Shirin" (2008).