Fille d'un père espagnol et d'une mère polonaise, Françoise Fabian grandit en Algérie, où elle étudie de façon approfondie la musique. Arrivée en France au début des années cinquante, elle s'inscrit au Conservatoire, où elle a comme camarades de promotion Jean-Paul Belmondo et Jean-Pierre Marielle. Si elle débute sur les planches en 1954 dans Le Pirate, l'actrice est en 1956 à l'affiche de pas moins de cinq longs-métrages, de Mémoires d'un flic - son tout premier film - à Michel Strogoff.

Mais Françoise Fabian, mariée au réalisateur Jacques Becker jusqu'à la mort de celui-ci en 1960, devra attendre que la libération des moeurs gagne le grand écran pour trouver des rôles à sa mesure. Pensionnaire de la maison de passe de Mme Anaïs dans Belle de jour de Luis Buñuel, jeune veuve vertueuse, mais dévorée par la passion dans Raphaël ou le débauché de Deville, elle trouve un de ses plus grands rôles dans Ma nuit chez Maud d'Eric Rohmer, en 1969. L'actrice y incarne une femme éprise de liberté, dont le charme et l'éloquence font vaciller les convictions du sage et fidèle Jean-Louis Trintignant.

Non dénuée de fantaisie -comme elle le prouve notamment en 1973 dans La Bonne année, comédie de Lelouch avec Lino Ventura, et plus tard dans La Bûche-, Françoise Fabian rencontre un grand succès en interprétant le rôle-titre d'un classique de l'érotisme à la française, Madame Claude, et en participant à la très populaire série télévisée Les Dames de la côte. Mariée durant 25 ans au comédien Marcel Bozzuffi, l'actrice à la beauté altière enchaînera dans les années 70 les productions italiennes d'inégale qualité. A partir de la décennie suivante, elle confèrera élégance et mystère aux personnages de mère que lui confieront des esthètes tels que Demy (Trois places pour le 26), Oliveira (La Lettre), Rivette (Secret Défense), Giusti ou encore François Ozon (5x2). Toujours dans un rôle de mère, elle illustre la transmission du conflit de génération en interprétant la mère de Sophie Marceau dans LOL - Laughing Out Loud.

Par la suite, elle joue aux côtés d'Yvan Attal dans Rapt (2008) de Lucas Belvaux et avec Guy Marchand dans le drame familial de Olivier Ducastel et Jacques Martineau : L'Arbre et la forêt. En 2010, l'actrice se retrouve de nouveau mère, cette fois de cinq garçons, dans Comme les cinq doigts de la main d'Alexandre Arcady. Souvent liée à des scénarios où les secrets de famille ressurgissent, Françoise Fabian est ensuite à l'affiche de Je n'ai rien oublié, aux côtés d'un Gérard Depardieu atteint de la maladie d'Alzheimer et découvrant peu à peu des choses qu'il aurait peut-être préféré oublier.