Fille du couple d'acteurs, Michael Redgrave et Rachel Kempson, Vanessa Redgrave est aussi la sœur aînée de Lynn Redgrave et de Corin Redgrave.

Après avoir suivi des études d'Art Dramatique à la "Central School of Speech and Drama" de Kensington, Vanessa entre dans la "Frinton Repertory Company" où elle joue des rôles de soubrette ou de vieille dame. En 1958, elle tient son premier rôle au cinéma aux côtés de son père dans Behind the mask de Brian Desmond Hurst. A la scène, elle le retrouve dans A touch of the sun et The tiger and the horse, avant de connaître ses premiers succès dans la pièce d'Ibsen La Dame de la mer qui, seize ans plus tard, marquera ses débuts à Broadway. On l'aperçoit ensuite dans Le Songe d'une nuit d'été et La Mouette où elle remporte un énorme succès aux côtés de sa mère. La comédienne se consacre alors essentiellement au théâtre et devient un membre distingué de la Stratford-Upon-Avon Theater Company, où elle rencontre son futur mari, Tony Richardson.

C'est en 1965 qu'elle réapparaitra à l'écran dans Morgan de Karel Reisz, qui lui vaut le Prix de la Meilleure Interprétation Féminine au Festival de Cannes. En 1967, Vanessa Redgrave remporte une nomination à l'Oscar pour Blow-up de Michelangelo Antonioni, distinction qui lui sera réattribuée pour Isadora de Karel Reisz, en 1968, et 3 ans plus tard, pour Marie Stuart de Charles Jarrott. Reconnue comme l'une des plus fortes personnalités du cinéma anglais, l'actrice travaille également à Hollywood, en Italie et en France. Elle reste mariée à Tony Richardson de 1962 à 1967, et a deux filles avec lui, Natasha et Joely. Elle se remarie avec Franco Nero, avec qui elle a un fils, Carlo, durant le tournage de Camelot.

Durant son imposante carrière cinématographique, Vanessa Redgrave tourne dans des films appartenant à des genres cinématographiques variés, sous la direction de metteurs en scène prestigieux, comme Ken Russell avec Les Diables (1970), Sidney Lumet avec La Mouette (1968) et Le Crime de l'Orient-Express (1974), Fred Zinnemann avec Un Homme pour l'éternité (1966) et Julia (1977), John Schlesinger avec Yanks (1980), James Ivory avec The Bostonians (1984), Retour à Howards End (1992) et La Comtesse blanche (2004), Stephen Frears avec Prick Up Your Ears (1987) ou encore Franco Zeffirelli avec Sparrow (1993).

En 1995, l'actrice joue dans Little Odessa, le premier film mis en scène par James Gray, l'un des réalisateurs américains les plus acclamés par la critique. Durant ces mêmes années 90, elle s'essaye au film d'action chez Brian De Palma (Mission : Impossible) et chez Mimi Leder (Deep Impact). En 2001, Sean Penn fait appel à ses services dans The Pledge, son troisième film en tant que réalisateur.

Pendant les années 2000, Vanessa Redgrave continue d'enchaîner les seconds rôles au cinéma (The Gathering Storm en 2002, Reviens-moi en 2008, etc.), et passe même du côté du petit écran en incarnant un personnage récurrent de la série Nip/Tuck, celui d'Erica Noughton, la mère cruelle de Julia McNamara. En 2010, elle est à l'affiche de Miral, un drame sur fond de conflit israélo-palestinien réalisé par Julian Schnabel (Le Scaphandre et le papillon), dans lequel elle donne la réplique à Willem Dafoe et Freida Pinto, la révélation de Slumdog Millionaire, puis elle prête sa voix à une tortue pour le film d'animation allemand Animaux et Cie et l'année suivante à une voiture pour les besoins de Cars 2.

L'année 2011 est une année très shakespearienne pour l'actrice britannique puisqu'elle figure au générique du film historique Anonymous qui ravive la thèse selon laquelle William Shakespeare ne serait pas celui qu'on croit, puis rejoint Ralph Fiennes et Jessica Chastain pour une adptation moderne de Coriolanus, pièce écrite par le célèbre dramaturge britannique.