Fille de l'acteur Henry Fonda, sœur de Peter Fonda et tante de Bridget Fonda, Jane Fonda baigne dès son plus jeune âge dans un univers artistique. Elle débute sa carrière de comédienne au théâtre aux côtés de son père, à qui elle donne la réplique dans les pièces Country girl (1954) et The Male animal (1955). Suivant les cours de Lee Strasberg, elle se produit en 1960 à Broadway dans There was a little girl, monté par Joshua Logan.

Après un passage remarqué chez des réalisateurs de renom comme George Cukor (Les Liaisons coupables) et Edward Dmytryk (La Rue chaude), elle entame une carrière européenne, apparaissant notamment dans Les Félins (1963) de René Clément et tournant à quatre reprises sous la direction de celui qui deviendra son futur mari, Roger Vadim : La Ronde (1964), La Curée (1966), Barbarella (1968) et Histoires extraordinaires (id.).

Aux Etats-Unis, ses prestations de fugitive sudiste et de jeune épouse coquette aux côtés de Robert Redford dans La Poursuite impitoyable (1966) et Pieds nus dans le parc (1967) viennent renforcer son statut de sex symbol international.

Souhaitant casser cette image de jolie poupée au sourire angélique qui lui colle à la peau, Jane Fonda danse à en perdre la raison dans On achève bien les chevaux (1969) et campe une prostituée en danger dans Klute (1971), une performance pour laquelle elle remporte l'Oscar de la Meilleure actrice.

Choisissant dès lors ses rôles en fonction de ses préoccupations idéologiques, comme celui d'Ibsen dans Maison de poupée (1973), elle prend fait et cause contre le fascisme, la guerre au Vietnam et le nucléaire, pour l'avortement et l'égalité entre les hommes et les femmes, symbolisant son militantisme à travers Julia (1977), Le Retour (1978), Le Syndrome chinois (1979) et Comment se débarrasser de son patron (1980).

Ses prises de position anticonformistes l'ayant écartée des studios, Jane Fonda effectue, au début des années 80, un retour en force comme productrice et interprète La Maison du lac (1981), un film émouvant qui lui permet de renouer une dernière fois avec son père à l'écran.

Cédant ensuite à la mode de l'aérobic avec la publication de son ouvrage Jane Fonda's workout book, elle ne tourne que sous la direction de metteurs en scène qu'elle affectionne : Norman Jewison pour Agnès de Dieu (1985), Sidney Lumet pour Le Lendemain du crime (1986) et Martin Ritt pour Stanley & Iris (1989).

Éloignée pendant environ quinze ans du métier d'actrice, elle accepte en 2004 de retrouver les plateaux de cinéma pour incarner devant la caméra de Robert Luketic la drôle de belle-mère de Jennifer Lopez dans la comédie Sa mère ou moi.

Elle se fait alors de plus en plus fréquente à l'écran, et tourne notamment ensuite dans la production française Et si on vivait tous ensemble ? (2011), où elle donne la réplique à Pierre Richard, Claude Rich et Geraldine Chaplin, ainsi que dans Le Majordome (2013) et This is Where I Leave You (2014), aux côtés de Jason Bateman et Tina Fey.

En parallèle, Jane Fonda accepte en 2012 son premier rôle récurrent à la télévision dans The Newsroom, la nouvelle série d’Aaron Sorkin, à qui l’on doit déjà À la Maison blanche et le scénario du film The Social Network.

Vraisemblablement emballée par cette première expérience sur le petit écran, le public la retrouve en 2015 face à Lily Tomlin dans Grace et Frankie. Les deux comédiennes y interprètent deux ennemies de longue date qui se rapprochent lorsque leurs maris respectifs leur annoncent qu’ils s’aiment et vont bientôt se marier.

Entre deux saisons de la série, Fonda devient une vengeresse dans Moving On, vit le rêve de rencontrer la star de la NFL Tom Brady dans Eighty for Brady et tourne la suite de Book Club, dont le premier opus avait été un succès en 2018.