Après des études de Droit pénal qu'elle poursuit jusqu'en maîtrise, Alice Winocour entre à la FEMIS pour intégrer la section scénario. En 2003, elle co-écrit et joue dans le court métrage Orphée, adaptation du célèbre mythe. Vainqueur en 2004 du Prix de l'Avenir du meilleur scénario récompensant de jeunes scénaristes, elle écrit et réalise son premier court en 2005, Kitchen, avec Elina Löwensohn dans le rôle principal (le film est présenté à Cannes en compétition cette même année).

En 2007, Alice Winocour met en scène Magic Paris, où une étrangère de quarante ans vient passer un week-end seule à Paris et fait une rencontre qui tourne mal. Elle poursuit en collaborant aux scénarios de Home et Ordinary People, avant de réaliser en 2011 son premier long, Augustine. Porté par Soko et Vincent Lindon, le film est tiré d'une histoire vraie : en 1873, une jeune fille hystérique entre à l'hôpital de la Salpêtrière et devient l'une des patientes du Dr. Charcot.

Alice Winocour retrouve le festival de Cannes en 2015 avec son second long métrage, Maryland, qui se centre sur un soldat victime de troubles de stress post-traumatique chargé d’assurer la sécurité de la femme d'un riche homme d'affaires. Pour l'occasion, la cinéaste s'entoure de deux comédiens de prestige : Matthias Schoenaerts et Diane Kruger. Considéré comme un home invasion movie aussi inquiétant qu'envoûtant, le thriller témoigne du talent de sa réalisatrice.

Scénariste de formation, Alice Winocour co-écrit cette même année, en compagnie de la cinéaste Deniz Gamze Ergüven, le scénario de Mustang, une sorte de Virgin Suicides turc qui obtient une pluie de récompenses. En 2019, elle s'attaque au drame spatial avec Proxima ("un film d'espace sur terre"), porté par Eva Green. Trois ans plus tard, elle livre Revoir Paris, un drame sur la mémoire post-traumatique liée aux attentats, avec Virginie Efira et Benoît Magimel.