Isabelle Adjani n'a que 14 ans lorsqu'elle interprète son premier rôle dans Le Petit Bougnat de Bernard Toublanc-Michel. Mais ses véritables débuts de comédienne se font sur les planches où elle joue entre autres pour les metteurs en scène Hossein et Raymond Rouleau. Révélée par La Gifle en 1974, elle interprète la belle Ondine à la Comédie Française où elle rentre en 1972. François Truffaut lui offre alors le rôle d'Adèle Hugo pour son Histoire d'Adèle H (1975), avec lequel elle décroche une double nomination au César et à l'Oscar de la Meilleure actrice.

S'essayant à tous les genres, elle tourne avec des metteurs en scène aussi différents que Roman Polanski (Le Locataire, 1976), Werner Herzog (Nosferatu fantôme de la nuit, 1979), Andrzej Zulawski (Possession, 1981), Claude Miller (Mortelle randonnée, 1983), ou encore Jean Becker dans L'Eté meurtrier en 1983, qui lui offre l'un de ses rôles les plus marquants, à savoir la mystérieuse et intrigante Elle, et avec lequel elle remporte son deuxième César.

Nouvelle égérie du cinéma français, elle n'hésite pas non plus à faire équipe avec de jeunes réalisateurs débutants comme Luc Besson (Subway, 1985) ou Philomene Esposito dans Toxic Affair (1993). En 1995, elle remporte un nouveau César pour son interprétation tragique de La Reine Margot, six ans après celui obtenu grâce à Camille Claudel.

En 2002, elle revient au cinéma devant la caméra de Laetitia Masson pour La Repentie, dans lequel elle retrouve Sami Frey, son partenaire de Mortelle randonnée. La critique est unanime quant à sa composition d'Elléonore dans Adolphe, louant le retour après de longues années d'absence de l'une des actrices préférées des français. En 2003, elle est l'une des figures de proue de l'impressionnant casting du Bon voyage de Jean-Paul Rappeneau, évoluant notamment aux côtés de Gérard Depardieu et Virginie Ledoyen.

Toujours assez rare dans ses rôles au cinéma, elle y revient en 2009, sous l'oeil de la caméra de Jean-Paul Lilienfeld dans La Journée de la jupe pour lequel elle remporte son cinquième César de la Meilleure Actrice, battant ainsi son propre record. En 2010, elle partage l'affiche de la comédie Mammuth avec son ami de longue date et autre monstre sacré du cinéma français, Gérard Depardieu. Commissaire de police dans De force (2011) puis loufoque Madame Hansen dans David et Madame Hansen (2012), l'actrice rejoint en 2014 l'important casting féminin de Sous les jupes des filles pour ensuite se glisser dans la peau d'une médecin du travail dans le très sombre Carole Mathieu.

En 2018, Isabelle Adjani incarne la mère déjantée du héros (Karim Leklou) du film de gangsters drôle et esthétique Le Monde est à toi de Romain Gavras. Trois ans plus tard, elle campe l'une des trois soeurs franco-algériennes cherchant à retrouver leur frère en Algérie dans le drame Soeurs de Yamina Benguigui. Parallèlement, elle apparaît dans les séries à succès Dix pour cent et Capitaine Marleau. En 2022, elle est en tête d'affiche de Peter von Kant de François Ozon, adapté de la pièce de théâtre "Les Larmes amères de Petra von Kant" de Fassbinder.