Formée à l'école de théâtre Jacques Lecoq, Yolande Moreau commence par jouer des spectacles pour enfants. Elle écrit en 1982 Sale affaire, du sexe et du crime, un one-woman-show dans lequel elle interprète une femme qui vient de tuer son amant. Agnès Varda, qui la remarque sur scène, lui offre ses premiers rôles dans le court métrage 7 p., cuis., s. de b., ... à saisir, puis dans son long métrage Sans toit ni loi (1985).

En 1989, Yolande Moreau rejoint la troupe de Jérôme Deschamps et de Macha Makeieff, dont elle devient l'un des piliers. Des spectacles Lapin chasseur ou Les Pieds dans l'eau au programme télé Les Deschiens, elle impose un personnage loufoque et poétique aux manières frustes. Dès lors, elle est de plus en plus sollicitée par les réalisateurs, qui lui confient le plus souvent des rôles comiques. Vue en 1995 dans les films à succès Le Bonheur est dans le pré et Les Trois Frères, elle incarne aussi la concierge du Fabuleux destin d'Amélie Poulain. La délicate Dominique Cabrera lui permet de dévoiler une autre facette de son talent dans Le Lait de la tendresse humaine et dans Folle embellie.

En 2004, Yolande Moreau passe derrière la caméra avec Quand la mer monte, co-réalisé par Gilles Porte. Virée chaleureuse dans le Nord de la France, réflexion sur la vie d'artiste, et émouvante histoire d'amour, ce coup d'essai séduit la critique et le public, et décroche le César et le Delluc de la Meilleure première œuvre. Auréolée pour ce même film du César de la meilleure actrice, Moreau continue de jouer la comédie pour d'autres : clocharde rougeaude dans le cartoonesque Enfermés dehors, comtesse persiffleuse dans Une vieille maîtresse, elle apporte toute son humanité à la peintre oubliée Séraphine dans le biopic de Martin Provost en 2008. Suite à cette prestation très remarquée pour laquelle elle reçoit un nouveau César de la Meilleure Actrice, elle joue les ouvrières flingueuses dans le décapant Louise Michel de Delépine et Kervern, avant de se glisser dans la peau de Fréhel (Serge Gainsbourg (vie héroïque))

Tantôt inquiétante tantôt attendrissante, Yolande Moreau se déchaîne à la tête d'un groupe de goules dans le film d'horreur La Meute et campe une femme qui assassine son mari dans Où va la nuit, un drame qui marque ses retrouvailles avec Martin Provost. Tout aussi fidèles, delepine et Kervern lui confient le rôle de l'épouse de Gérard Depardieu dans Mammuth (2010). Elle prouve que l'émotion et la démesure ne sont pas inconciliables, à l'image de sa composition déchirante de mère de Noémie Lvovsky dans le fantasque Camille redouble.

Prenant part aux projets les plus variés, elle qui a prêté sa voix au film d'animation Mia et le migou campe deux jumelles pour François Ozon (Dans la maison). En 2013, elle retourne derrière la caméra (seule cette fois) avec Henri, présenté à la Quinzaine des Réalisateurs, ou la rencontre inattendue entre un restaurateur veuf et une handicapée mentale. Yolande Moreau poursuit avec Brèves de comptoir, une adaptation de la série de livres du même nom de Jean-Marie Gourio. Dans Voyage en Chine, l'actrice incarne une femme qui part dans le pays le plus peuplé du monde pour rapatrier le corps de son fils, mort dans un accident. Elle revient à un registre plus léger avec Le Tout Nouveau Testament emmené par Benoît Poelvoorde et où elle se glisse dans la peau de la femme de dieu.

En 2016, Yolande Moreau joue l'un des rôles principaux du film en costumes Une vie de Stéphane Brizé, la baronne Adélaïde Le Perthuis des Vauds. La comédienne poursuit avec deux comédies sociales, Crash Test Aglaé et Rebelles. Entre les deux, elle campe la soeur d'un Jean Dujardin bon à rien dans I Feel Good réalisé par Gustave Kervern et Benoît Delépine.