Après plusieurs expériences au théâtre, Mireille Perrier se lance à l'assaut du cinéma en 1983 en jouant dans le premier film très remarqué de Leos Carax – présenté à Cannes lors de la Semaine de la Critique : Boy Meets Girl. Elle incarne avec finesse une jeune femme en mal d'amour qui tente de croire à une nouvelle histoire. Attirée par le cinéma d'auteur et les cinéastes débutants, elle tourne sous la direction de Philippe Garrel (Elle a passé tant d'heures sous les sunlights..., 1984), Jean-Pierre Limosin (Gardien de la nuit, 1986) et Claire Denis (Chocolat, 1986) avant de retrouver Carax pour le drame Mauvais sang (id.). Autant de rôles où sa sensibilité et sa charmante discrétion font mouche.

En 1989, son rôle de Normalienne timide, amoureuse d'Hippolyte Girardot, dans Un monde sans pitié, lui assure un premier succès populaire. Pour sa prestation dans ce film d'Eric Rochant, portrait d'une génération, la comédienne est nommée au César du Meilleur espoir féminin. Après un passage chez Jacques Deray dans Netchaïev est de retour (1991), Mireille Perrier se fait mystérieuse devant la caméra de Jaco van Dormael (Toto le héros), une performance qui lui vaut en 1991 l'équivalent belge du César de la Meilleure actrice, le Prix Joseph-Plateau.

La décennie 1990 marque le temps de nouvelles découvertes et affinités avec d'autres talentueux cinéastes : Laetitia Masson (A vendre, 1998), Sophie Tatischeff (Le Comptoir, id.) et Jean-Philippe Toussaint, romancier belge passé derrière la caméra avec ses films loufoques La Sévillane (1992) et La Patinoire (1998). L'occasion pour Mireille Perrier de camper des personnages discrets qui laissent toutefois une empreinte forte. Participant ensuite au Dérangement considérable (2000) de Bernard Stora et s'illustrant dans l'univers de Claude Lelouch (Les Parisiens et Le Courage d'aimer, 2004), elle devient une contrôleuse nomade pour Marc Recha (Les Mains vides, 2003), puis la lectrice des Fragments sur la grâce (2006) de Vincent Dieutre.

Privilégiant toujours des oeuvres sensibles et de jeunes réalisateurs, elle tourne sous la direction d'Aurélia Georges dans L' Homme qui marche où elle accompagne la destinée d'un homme, s'improvisant écrivain, qui, après avoir connu le succès, se retrouve à la rue. A l'affût de projets originaux, elle fait partie de l'aventure Des Indes à la planète Mars (2007), avant de collaborer de nouveau avec Vincent Dieutre qui co-écrit le voyage initiatique A l'Est de moi, réalisé par la cinéaste tchèque Bojena Horackova.

Elle est l'une de Toutes les filles pleurent de Judith Godrèche en 2010 et attend le vol qui changera peut-être sa vie à l'aéroport d'Orly dans le film aux destins croisés d'Angela Schanelec.