Née d'un père français et d'une mère anglaise, Jeanne Moreau débute au théâtre (à l'insu de ses parents) en suivant les cours d'art dramatique de Denis d'Ines au Conservatoire, après avoir achevé ses études secondaires. Elle fait ses premiers pas sur les planches dans La terrasse de midi, au Festival d'Avignon de 1947. Elle entre alors à la Comédie Française dont elle démissionne pour suivre Jean Vilar au TNP. Elle y joue notamment aux côtés de Gérard Philipe dans Le Cid et Le Prince de Hombourg. Elle obtient ensuite un petit rôle de prostituée dans une reprise d'Othello, à l'occasion de laquelle Orson Welles la découvre. En 1949, elle épouse le metteur en scène et comédien Jean-Louis Richard, dont elle aura un fils, avant de se marier avec le réalisateur américain William Friedkin en 1977. Ce deuxième mariage ne durera que deux ans.

Au cinéma, elle obtient tout d'abord des petits rôles, comme dans Touchez pas au grisbi (1953), avant d'être révélée dans deux films de Louis Malle : Ascenseur pour l'échafaud (1957) et Les Amants (1958). Elle éblouit le Festival de Cannes en 1960 pour son interprétation dans Moderato Cantabile de Peter Brook, et décroche le prix d'interprétation féminine. Elle tourne alors sous la direction des plus grands réalisateurs : avec François Truffaut pour Jules et Jim (1961) et La mariée était en noir (1967), Joseph Losey pour Eva (1961), Monsieur Klein (1975) et La Truite (1975), Orson Welles pour Le Procès (1962) et Falstaff (1965), ou encore Luis Buñuel pour Le Journal d'une femme de chambre (1963). Tous ces metteurs en scène sont conquis par son professionnalisme et sa force de caractère. Orson Welles la qualifie même de "meilleure actrice du monde."

Elle s'illustre également dans Les Liaisons dangereuses de Roger Vadim (1959), La Nuit de Michelangelo Antonioni (1960), Le Train de John Frankenheimer (1963), et dans la comédie-western de Louis Malle, Viva Maria (1965) où elle joue aux côtés de Brigitte Bardot. Elle se distinguera également sous la direction de Rainer Werner Fassbinder dans Querelle (1982). À partir des années 1970, des réalisateurs d'horizons très variés s'intéressent à elle. Elle tourne ainsi dans Les Valseuses de Bertrand Blier (1973), Le Dernier Nabab d'Elia Kazan (1976), Le Miraculé de Jean-Pierre Mocky (1986) et La Vieille qui marchait dans la mer de Laurent Heynemann (1991), pour lequel elle obtient le César de la meilleure actrice en 1992. Elle décide de passer derrière la caméra à partir de 1975 et réalise trois films, dont , sorti en 1979 et dans lequel elle fait tourner Francis Huster et Simone Signoret. Dans les années 80, parallèlement à sa carrière au cinéma, Jeanne Moreau se consacre à la musique et à la télévision. Elle y apparaît dans des téléfilms et présente des émissions sur la peinture. Puis, dans les années 90, elle s'investit dans le théâtre en tant que comédienne.

Si elle délaisse un tant soit peu le cinéma, le cinéma, lui, ne l'oublie pas. C'est ainsi qu'elle se voit remettre un Lion d'Or pour l'ensemble de sa carrière au Festival de Venise en 1991, un Oscar pour l'ensemble de sa carrière en 1998 et un Ours d'Or d'honneur au Festival de Berlin en 2000. En 2001, elle est la première femme à entrer à l'Académie des Beaux-Arts, et en 2003, elle reçoit un hommage au Festival de Cannes. Elle continue à tourner sous la houlette de jeunes cinéastes prometteurs (Edouard Baer pour Akoibon (2004), François Ozon dans Le Temps qui reste (2005)), marque les esprits en incarnant Marguerite Duras dans Cet amour-là (2002), rend hommage à Marcello Mastroianni dans Chacun son cinéma en tournant avec Théo Angelopoulos, puis rejoint Amos Gitaï en Israël pour jouer dans Désengagement en 2008.

En 2005, en parallèle du Festival Premiers plans d'Angers, Jeanne Moreau crée une école de cinéma, "Les Ateliers d'Angers" qui est une main tendue vers la relève. Une relève qu'elle affectionne, comme en témoigne le César d'honneur qu'on lui attribue en 2008 et qu'elle décerne à la jeune équipe de Naissance des pieuvres. Toujours active sur la scène cinématographique, elle retrouve en 2009 Amos Gitaï qui revient vers elle pour lui offrir le premier rôle de Rivka dans son film Plus tard tu comprendras (id.). Elle prête ensuite sa voix inégalable au personnage d'Eléonore dans Kérity la maison des contes, le film d'animation de Dominique Monféry. En 2012, Manoel de Oliveira vient s'ajouter à la liste des grands réalisateurs qui ont tourné avec l'actrice. Ce dernier lui offre le rôle de Candidinha dans son adaptation de l’œuvre théâtrale de Raul Brandão : Gebo et l'ombre. Pour la caméra d'Ilmar Raag, l'actrice se glisse dans la peau d'une Estonienne à Paris séductrice. Sa dernière apparition au cinéma remonte à 2015 et Le Talent de mes amis, le tendre premier film du comédien et humoriste Alex Lutz. Elle décède à Paris le 31 juillet 2017.