C'est sous la direction du réalisateur René Allio qui lui offre son premier rôle au cinéma dans Les Camisards (1969) puis dans Pierre et Paul (1970), qu'Hélène Vincent débute sa carrière sur le grand écran. Elle enchaîne alors les longs métrages à un rythme soutenu en tournant notamment avec Bertrand Tavernier dans Que la fête commence en 1975 et avec Diane Kurys dans Cocktail Molotov en 1979.

Après une absence pendant une dizaine d'années sur le grand écran, elle fait une prestation remarquée dans la comédie d'Etienne Chatiliez, La Vie est un long fleuve tranquille en incarnant une bourgeoise coincée qui assiste à la dislocation de sa famille. Ce rôle lui vaut le César de la meilleure actrice dans un second rôle en 1989. Trois ans plus tard, elle est de nouveau nommée à cette prestigieuse cérémonie dans la même catégorie pour son rôle de femme esseulée dans J'embrasse pas d'André Techiné, chronique sombre d'un jeune garçon qui tombe dans la prostitution.

Elle interprète une journaliste dans Trois couleurs - Bleu, un long métrage tiré de la saga réalisée par Krzysztof Kieslowski en 1993. Mère d'un garçon célibataire interprété par Florent Pagny dans Tom est tout seul de Fabien Onteniente(1995), d'un orphelin trentaire dans Bernie d'Albert Dupontel (1996) et d'un jeune en quête d'identité sexuelle dans Ma Vie En Rose d'Alain Berliner (1997), elle s'illustre souvent dans des rôles secondaires qui sont en majorité ceux de mère de famille. Parallèlement au cinéma, elle apparaît dans des séries à succès telles que Clara Sheller ou Joséphine, ange gardien.

Après avoir joué plusieurs seconds rôles notamment dans le road-movie, Le Soleil au-dessus des nuages (2000), 2006 marque un regain dans sa carrière. Elle est à l'affiche de plusieurs films notamment Itinéraires du documentariste Christophe Otzenberger, et Enfermés dehors qui marque sa deuxième collaboration avec Albert Dupontel. Elle apparaît dans des comédies comme Les Irréductibles (2005) puis Trésor (2009) de Claude Berri avant de se tourner à nouveau vers un registre plus dramatique dans Les Petits ruisseaux de Pascal Rabaté en 2010.

En 2012, l'actrice incarne la mère de Vincent Lindon, condamnée par la maladie dans Quelques heures de printemps de Stéphane Brizé. Elle reçoit une nomination au César de la meilleure actrice pour ce rôle. Deux ans plus tard, Hélène donne la réplique à Omar Sy dans Samba puis s'illustre dans les comédies Good Luck Algeria, Le Petit locataire et Marie-Francine, dans laquelle elle incarne la mère envahissante de Valérie Lemercier. Côté petit écran, la comédienne se glisse dans la peau de Blanche Muir dans la série-événement Capitaine Marleau avec Corinne Masiero.

En 2017, Hélène Vincent retrouve Omar Sy pour Knock, où elle campe la veuve Pons, puis prend part aux comédies Le Sens de la fête, Garde alternée, Hors normes, Mine de rien, Adorables, L'Origine du monde et Colocs de choc, tout en goûtant à un registre plus dramatique avec Grâce à Dieu de François Ozon. Ce dernier lui offre en 2024 le personnage principal de son nouveau film, Quand vient l’automne, une grand-mère bien sous tous rapports qui vit sa retraite paisible dans un petit village de Bourgogne. Côté petite lucarne, on la voit dans Un homme d'honneur et Panda.