Son bac en poche, Coline Serreau croque avec gourmandise dans le milieu artistique. Elle suit des études de Lettres, entre au Conservatoire de Musique, suit des cours de trapèze à l'Ecole du Cirque d'Annie Fratellini et apprend la danse. Artiste polyvalente, elle se tourne finalement vers les Arts dramatiques. Après l'Ecole de la rue Blanche, elle devient stagiaire à la Comédie-Française et joue pour la première fois sur scène en 1970. Sur les planches, elle fréquente notamment Romain Bouteille, Coluche ou Patrick Dewaere.

Coline Serreau signe son premier scénario en 1973 (On s'est trompé d'histoire d'amour de Jean-Louis Bertucelli). Deux ans plus tard, elle passe à la réalisation avec Rendez-vous, un premier court-métrage destiné à la télévision. En 1973, avec le documentaire Mais qu'est-ce qu'elles veulent ?, elle se taille une réputation d'artiste engagée et féministe. La même année, elle réalise son premier long-métrage de fiction, Pourquoi pas !.

Après Qu'est-ce qu'on attend pour être heureux ? en 1982, Coline Serreau connaît la consécration avec le triomphe mondial de Trois hommes et un couffin (1985), dans lequel un trio d'hommes en mal de paternité est confronté à l'ère de la femme et de la parité. En 1989, son cheval de bataille est la tolérance interraciale avec l'histoire d'amour improbable d'un PDG et de sa femme de ménage noire (Romuald et Juliette). Puis ce sera La Crise et de nouveau le succès grâce à cette peinture sans concession (mais pleine de dérision) du désarroi de toute une époque marquée par le chômage, le divorce, l'éclatement de la famille...

Dans La Belle Verte (1996), Coline Serreau se met elle-même en scène dans un rôle d'extra-terrestre découvrant une planète saccagée par les excès de la société de consommation. Cinq ans plus tard, elle signe le féroce Chaos, dénonciation musclée d'une société sans courage, six foix nommé aux César. Coline Serreau renoue en 2003 avec la comédie qui avait fait son succès en réunissant 18 ans après le trio de Trois hommes et un couffin composé de Michel Boujenah, André Dussollier et Roland Giraud. En 2005, elle persévère dans le registre comique avec le film-choral Saint-Jacques... La Mecque.