Après s'être orientée vers des études d'infirmière, Annie Girardot se tourne vers la comédie. Etudiante à la Rue Blanche puis au Conservatoire, elle en sort diplômée avec un double premier prix, ce qui lui vaut d'intégrer rapidement la Comédie Française. Au cinéma, elle fait ses débuts en 1955 dans Treize à table de André Hunebelle. Elle est également remarquée dans Maigret tend un piège de Jean Delannoy et L'Amour est en jeu de Marc Allégret. Mais son premier rôle marquant, elle le trouve chez Rocco et ses frères (1960) de Visconti. Le grand public ne sera pas le seul à succomber à son charme insolent, puisque l'acteur italien Renato Salvatori, son partenaire sur le tournage, l'épousera peu de temps après. Ce qui ne l'empêchera pas de nouer des liens privilégiés avec Claude Lelouch sous la direction duquel elle tourne les émouvants Vivre pour vivre (1967), La Vie, l'amour, la mort (1969) ou encore Un homme qui me plaît (id.). Menant de front une carrière en France et en Italie, elle remporte par ailleurs le Prix d'interprétation à Venise pour Trois chambres à Manhattan de Marcel Carné en 1965.

Dans les années 70, elle devient l'actrice préférée des Français. On la voit enchaîner les comédies populaires avec Michel Audiard (Elle boit pas, elle fume pas, elle drague pas, mais... elle cause !, Elle cause plus, elle flingue), Philippe de Broca (Tendre poulet, 1977 ; Le Cavaleur, 1978 ; On a volé la cuisse de Jupiter, 1980) ou encore Claude Zidi (La Zizanie, 1978). Connue pour sa gouaille énergique, elle incarne durant la même période des héroïnes modernes, actives (Docteur Françoise Gailland, prestation pour laquelle elle obtient le César de la Meilleure actrice en 1977 ; Vas-y maman, 1978) et libérées des conventions (Mourir d'aimer, La Clef sur la porte).

Mais sa carrière cinématographique s'essouffle dans les années 80. La revue qu'elle met en scène en 1982 au Casino de Paris avec son compagnon de l'époque Bob Decout est un véritable fiasco, et hormis quelques apparitions dans des films mineurs (Liste noire, Adieu blaireau, Prisonnières, Les Braqueuses), il lui faut attendre 1996 et la version revisitée des Misérables de Lelouch pour la retrouver sur le devant de la scène cinéma. On se souvient alors du discours émouvant prononcé durant la fameuse cérémonie où elle se vit attribuer le César du Meilleur second rôle : "Je ne sais pas si j'ai manqué au cinéma français, mais le cinéma français m'a manqué... follement... éperdument, douloureusement. Votre témoignage, votre amour, me font penser que peut-être, je dis bien peut-être, je ne suis pas encore tout à fait morte."

Des prix, elle s'en verra encore décerner... Pour La Pianiste de Michael Haneke (César du Meilleur second rôle féminin en 2002) et pour la pièce Madame Marguerite (Molière de la Meilleure comédienne la même année). Atteinte de la maladie d'Alzheimer, elle a malgré tout continué à jouer pour le tandem Toledano / Nakache (la comédie Je préfère qu'on reste amis...), Michael Haneke (Caché, 2005), Daniel Duval (Le Temps des porte-plumes, 2006) et Jane Birkin (Boxes, 2007). En 2008, le réalisateur Nicolas Baulieu lui avait consacré un documentaire qui revenait longuement sur les ravages de sa maladie.