Petite-fille d'Elsa Schiaparelli, un des très grands noms de la haute-couture, Marisa Berenson débute dans les années soixante comme mannequin pour le prestigieux magazine Vogue. Sa grâce et sa beauté insolente sont alors remarquées par le cinéaste Luchino Visconti, qui lui offre un rôle dans l'un de ses chefs-d'oeuvre: Mort à Venise.

En un peu plus de trente années, Marisa Berenson a très peu tourné, et sa carrière cinématographique a suivi un tracé assez chaotique. En 1972, elle interprète un petit rôle dans le multi-oscarisé Cabaret de Bob Fosse. Trois ans plus tard, Stanley Kubrick lui propose de tenir le rôle de la mélancolique et sublime Lady Lyndon dans le classique Barry Lyndon, dans lequel elle partage l'affiche aux côtés de Ryan O'Neal.

Elle tourne également sous la direction de Blake Edwards (S.O.B, 1981), Gérard Lauzier ou Clint Eastwood (Chasseur blanc, coeur noir, 1990). Après quelques rôles mineurs, dont une participation à la première réalisation de Jean-Hugues Anglade (Tonka, 1997), Marisa Berenson donne la réplique à Hélène De Fougerolles et François Berléand pour Le Plus beau jour de ma vie, (2004), confirmant ainsi son goût pour la langue et les productions françaises, cette même année s'accompagnant du second opus des héros Jet set 2.

Incarnation immémoriale de Lady Lyndon, elle rend hommage à son génial créateur lorsqu'elle rejoint John Malkovich pour Appelez-moi Kubrick (2003) ; avant de reprendre son illustre personnage pour les besoins de l'aventure cinématographique de Franck Dubosc, Cinéman (2008). On l'aperçoit dans la romance à sketches pour Cartier, Love Stories, réalisée par Olivier Dahan avant de la voir deux ans plus tard dans la comédie dramatique italienne Amore, aux côtés de Tilda Swinton.