Fille de parents divorcés, un avocat et une peintre, Bulle Ogier, née Marie-France Thielland, est élevée par sa mère. Enceinte à 18 ans, elle travaille dans le salon de Coco Chanel pour gagner sa vie. Au début des années 60, sa rencontre avec Marc'O, grande figure de l'avant-garde théâtrale, se révèle déterminante. Elle joue alors dans ses pièces novatrices, entre happenings et concerts rock, comme Les Idoles, satire du show-biz adaptée au cinéma en 68 -ce sera sa première apparition à l'écran. Assistant sur ce film, Techiné l'engage pour son premier opus, Paulina s'en va, qui ne sortira qu'en 1975.

Entre-temps, Bulle Ogier a formé avec Jean-Pierre Kalfon le couple mythique de L'Amour fou (1969) de Rivette. Actrice-fétiche du réalisateur le plus secret de la Nouvelle vague, elle co-écrit les films-labyrinthes Céline et Julie vont en bateau et Le Pont du Nord, dans lequel elle donne la réplique à sa fille Pascale. A travers les personnages qu'elle interprète dans les années 70 (l'ouvrière révoltée de La Salamandre, rôle qui lui vaut en 1971 une renommée internationale, ou la terroriste de La Troisième génération) se dessine le portrait d'une époque. L'actrice part en Nouvelle-Guinée pour les besoins de La Vallee, film-clé de la culture hippie, signé Barbet Schroeder son compagnon, avec qui elle tournera le sulfureux Maîtresse puis Tricheurs. A l'affiche du Charme discret de la bourgeoisie de Buñuel, l'égérie du cinéma d'auteur tourne avec le populaire Lelouch, dans un de ses films les plus sombres (Mariage).

Théâtre et cinéma sont étroitement liés dans la carrière de Bulle Ogier, qui collabore sur les planches et à l'écran avec Marguerite Duras et campe une professeur d'art dramatique dans La Bande des quatre de l'ami Rivette (1988). Redécouverte au début des années 90 par la nouvelle génération, l'évanescente Bulle trouve de beaux rôles de mère dans Nord de Xavier Beauvois et Circuit Carole, et apparait dans les premières oeuvres de Marion Vernoux et Jacques Audiard. Patronne fantasque du Vénus beauté (institut), le succès-surprise de Tonie Marshall en 1997, elle travaille avec les vétérans Chabrol, Schroeter ou Oliveira (Belle toujours, variation autour du chef d'oeuvre de Buñuel en 2007), tout en continuant à être sollicitée par de jeunes réalisatrices comme Julie Lopes-Curval, Sophie Fillières ou Noémie Lvovsky (Faut que ça danse !).

Mariée au cinéaste Barbet Schroeder, co-fondateur de la société Les Films du Losange avec Eric Rohmer, Bulle Ogier était la mère de Pascale Ogier, décédée en 1984, muse de Rohmer et héroïne du film Les Nuits de la pleine lune.

Retrouvant Tonie Marshall, Bulle Ogier fait une apparition en 2008 dans la comédie Passe-passe. Le cinéma indépendant la sollicite particulièrement, ainsi Lionel Baier fait appel à elle pour Un Autre homme. Deux ans plus tard, elle incarne l'un des personnages du drame romantique Les Petits ruisseaux, adaptation d'une bande dessinée par Pascal Rabaté.