Immergé dès son enfance dans l'univers du théâtre, Jacques Perrin entre au Conservatoire d'art dramatique, qu'il quitte rapidement pour monter sur les planches. Il fait plusieurs apparitions au cinéma, notamment dans La Peau de l'ours (Claude Boissol, 1957) avant d'obtenir un rôle de premier plan dans La Fille a la valise (Valerio Zurlini, 1960). Le comédien a alors 19 ans, et sa rencontre avec Zurlini aboutira à deux autres collaborations : Journal intime (1962) et Le Desert des Tartares (1976), dont il est également co-producteur.

Malgré son jeune âge, Jacques Perrin enchaîne les rôles au cinéma avec des réalisateurs prestigieux : Pierre Schoendoerffer (La 317e Section, 1964), Constantin Costa-Gavras (Compartiment tueurs, 1964), Claude Chabrol (La Ligne de demarcation, 1966) et Jacques Demy (Les Demoiselles de Rochefort, 1966 ; Peau-d'Ane, 1970). Il joue ainsi aux côtés de personnalités célèbres telles que Claude Berri, Yves Montand ou encore Catherine Deneuve, dans des genres très divers, du film policier au conte fantastique, en passant par la comédie musicale.

En 1968, Jacques Perrin fonde sa propre société de production, Reggane Films, qui prend notamment en charge plusieurs films de Constantin Costa-Gavras dont Z (1968), ainsi que Le Crabe tambour (Pierre Schoendoerffer, 1977). Autant de films dans lesquels il est également acteur.

Dans les années 1980 et 1990, s'il poursuit une carrière de comédien au cinéma, avec notamment le succès de Cinema Paradiso (Giuseppe Tornatore, 1988), Jacques Perrin se consacre surtout à la télévision. Il produit par ailleurs de plus en plus, notamment sur des thèmes qui lui tiennent à cœur.

Homme de défi, il rend hommage au cinéma en compilant 300 extraits de film dans Les Enfants de Lumière (Collectif, 1994), mais mais oeuvre surtout sur des documentaires consacrés à la nature comme Microcosmos, le peuple de l'herbe (Claude Nuridsany et Marie Perennou, 1996, qui lui vaut le César du Meilleur producteur) et Himalaya, l'enfance d'un chef (Eric Valli, 1999). Il participe également à la réalisation du Peuple migrateur (2001), filmant de nombreuses espèces d'oiseaux migrateurs au plus près de leur périple.

Désormais producteur prolifique et réalisateur en herbe, il n'abandonne pas pour autant sa carrière d'acteur. Il joue entre autres dans Le Pacte des loups de Christophe Gans (2001), Le Petit lieutenant de Xavier Beauvois (2005) ou encore Les Choristes de Christophe Barratier (2004). Ce dernier fait d’ailleurs appel à Perrin pour produire son film suivant, Faubourg 36.

Son amour de la mer l’incite à financer un documentaire de Pierre Marcel sur le marin Tabarly, puis à diriger, scénariser et jouer dans Océans (2009) un documentaire sur les fonds marins, réalisé aux côtés de Jacques Cluzaud. La mer le passionne, mais l’histoire également, c’est pourquoi il signe avec Eric Deroo un documentaire sur la colonisation française du Vietnam constitué exclusivement d'images d'archives.

Après avoir réalisé le documentaire Les Saisons et produit Mia et le Lion Blanc, Jacques Perrin s'illustre dans Rémi Sans Famille, incarnant le héros âgé. Sa dernière apparition à l'écran est au générique du thriller Goliath, aux côtés de Gilles Lellouche et Pierre Niney.