Fille du philosophe Etienne Balibar et de la physicienne Françoise Balibar, Jeanne Balibar développe três tôt un goût pour les différentes formes d'expression artistique, entre les sorties au cinéma et à l'opéra avec ses parents, sa découverte de la littérature et sa pratique intensive de la danse. Après de brillantes études (hypokhâgne, khâgne, Normale Sup), elle s'oriente vers la comédie, poussant la porte du Cours Florent puis celle du Conservatoire. Remarquée à Avignon dans le Don Juan monté par Lassalle en 1993, elle rejoint cette même année la Comédie-Française, qu'elle quittera en 1997.

Après une première apparition au cinéma (non créditée) dans La Sentinelle en 1992, Jeanne Balibar trouve son premier rôle important, celui d'une amoureuse fantasque, dans le film suivant d'Arnaud Desplechin, Comment je me suis disputé... en 1996. Elle accède à la notoriété en 1997, campant un médecin tiraillé entre deux patients, l'un hypocondriaque, l'autre séropositif dans J'ai horreur de l'amour de Laurence Ferreira Barbosa. Egérie du cinéma d'auteur, elle déambule en 1998 dans Fin août, début septembre d'Assayas (qu'elle retrouvera en 2003 pour Clean) et en 1999 dans Trois Ponts sur la rivière, deux films qui la voient donner la réplique à Mathieu Amalric, acteur-réalisateur qui partage alors sa vie, et la dirige dans Mange ta soupe et Le Stade de Wimbledon.

Le mystère qui se dégage de cette actrice exigeante, à la voix singulière, n'exclut cependant pas la légèreté ni l'humour, comme en témoignent ses prestations dans Dieu seul me voit (1998) de Podalydès et Ca ira mieux demain... de Jeanne Labrune (2000). Vue chez Jacquot et Christophe Honoré, mais aussi Guillaume Nicloux, et même Winterbottom, Jeanne Balibar évolue avec grâce dans le cinéma cérébral et ludique de Ruiz (La Comédie de l'innocence, 2000) et surtout Rivette : le maître de la Nouvelle Vague offre à celle qui continue de brûler les planches le rôle d'une comédienne de théâtre dans Va savoir (2001) et celui de la Duchesse de Langeais dans Ne touchez pas la hache (2007) d'après Balzac. Amante extravagante de Sagan dans le biopic de Diane Kurys, elle joue avec son image d'intellectuelle dans Le Bal des actrices (2009).

Tournant beaucoup, Jeanne poursuit en apparaissant plus ou moins furtivement dans le biopic Grace de Monaco, les comédies dramatiques La Fille de Monaco, Le Dos rouge et Les Nuits d'été, ainsi que le drame À jamais, pour lequel elle retrouve Benoît Jacquot. En 2012, elle signe la réalisation de son premier long-métrage, Par exemple, Electre, une comédie dramatique récompensée par une mention spéciale durant la cérémonie de remise des Prix Jean Vigo. Quatre ans plus tard, Mathieu Amalric lui offre le rôle-titre de son biopic Barbara, consacré à la célèbre chanteuse française. Une prestation qui lui permet de remporter le César de la meilleure actrice en 2018. Forte de ce succès, ses rôles gagnent en importance, à l'image de ses prestations dans Merveilles à Montfermeil, Seule : Les Dossiers Silvercloud, Le Processus de paix, Le Molière imaginaire, Boléro ou encore Laissez-moi.

En 2025, la comédienne joue une ambitieuse DRH qui a une liaison avec le chef de chantier Damien Bonnard dans Le Système Victoria. On la voit aussi dans la série Franklin, portée par Michael Douglas, qui revient sur l’histoire de l’un des Pères fondateurs des États-Unis. La native de Paris y campe la salonnière Anne-Catherine de Ligniville Helvétius.