Etudiante en langues et art dramatique à Shangai, Joan Chen obtient ses premiers rôles au cinéma dès son adolescence. Mais c'est son interprétation dans The Little Flower qui lui vaut la reconnaissance du public.

Après des débuts dans son pays d'origine, elle fait le choix de s'exiler aux Etats-Unis, à Los Angeles. Âgée d'une vingtaine d'années, la jeune actrice fait de nombreuses apparitions dans les séries les plus populaires de l'époque : Deux flics à Miami, MacGyver... Mais c'est avec son interprétation de la sombre Josie Packard dans Mystères à Twin Peaks, de David Lynch que Joan Chen se fait connaître du public outre Atlantique.

En 1987, elle tient l'un des rôles principaux du film de Bernardo Bertolucci, Le Dernier empereur, grâce auquel le tout Hollywood lui sourit. D'un continent à l'autre, l'actrice mène sa carrière brillamment. En 1994, elle s'illustre chez Oliver Stone dans Entre ciel et terre ou encore chez Steven Seagal dans Terrain miné. La même année, elle tourne dans le film de Stanley Kwan, Red Rose, White Rose.

En 1998, l'actrice décide de donner un nouveau souffle à sa carrière et passe derrière la caméra pour la toute première fois. Elle met en scène le film Xiu Xiu, dans lequel elle dresse un portrait de la Chine des années 70 au sortir de la révolution culturelle. Elle renouvelle l'expérience de la réalisation deux ans plus tard et s'adonne cette fois-ci à un registre plus léger avec Un automne à New York, dans lequel Winona Ryder et Richard Gere vivent une véritable passion amoureuse.

Mais Joan Chen n'en oublie pas son jeu, puisqu'elle poursuit en parallèle sa carrière d'actrice. Elle peine pourtant à retrouver son succès et devra attendre 2008 et sa prestation dans Lust, Caution, de Ang Lee, pour reconquérir les spectateurs. La même année, elle s'illustre dans le drame chinois Le Soleil se lève aussi. L'année suivante, elle s'essaie à un genre nouveau avec le documentaire 24 City, dans lequel elle livre un témoignage réaliste sur l'histoire de la Chine.