Née d'un père français et d'une mère anglaise, Jeanne Moreau débute au théâtre (à l'insu de ses parents) en suivant les cours d'art dramatique de Denis Inès au Conservatoire, après avoir achevé ses études secondaires. Elle fait ses premiers pas sur les planches dans La terrasse de midi, au Festival d'Avignon de 1947. Elle entre alors à la Comédie Française dont elle démissionne pour suivre Jean Vilar au TNP. Elle y joue notamment aux côtés de Gerard Philipe dans Le Cid et Le Prince de Hombourg. Elle obtient ensuite un petit rôle de prostituée dans une reprise d'Othello, à l'occasion de laquelle Orson Welles la découvre. En 1949, elle épouse le metteur en scène et comédien Jean-Louis Richard, dont elle aura un fils, puis le réalisateur américain William Friedkin en 1977. Ce deuxième mariage ne durera que deux ans.

Au cinéma, elle obtient des petits rôles tout d'abord, comme dans Touchez pas au grisbi (1953), avant d'être révélée dans deux films de Louis Malle : Ascenseur pour l'échafaud (1957) et Les Amants (1958). Elle éblouit le Festival de Cannes en 1960 pour son interprétation dans Moderato Cantabile de Peter Brook, et décroche le prix d'interprétation féminine. Elle tourne alors sous la direction des plus grands réalisateurs, avec François Truffaut pour Jules et Jim (1961) et La mariee etait en noir (1967), Joseph Losey pour Eva (1961), Monsieur Klein (1975) et La Truite (1975), Orson Welles pour Le Procès (1962) et Falstaff (1965), ou encore Luis Buñuel pour Le Journal d'une femme de chambre (1963). Tous ces metteurs en scène sont conquis par son professionnalisme et sa force de caractère. Orson Welles a même déclaré : "c'est la meilleure actrice du monde."

Elle s'illustre également dans Les Liaisons dangereuses de Roger Vadim (1959), La Nuit de Michelangelo Antonioni (1960), Le Train de John Frankenheimer (1963), et dans la comédie-western de Louis Malle, Viva Maria (1965) où elle joue aux côtés de Brigitte Bardot. Elle se distinguera également sous la direction de Rainer Werner Fassbinder dans Querelle (1982). A partir des années 1970, des réalisateurs d'horizon très variés s'intéressent à elle. Elle tourne ainsi dans Les Valseuses de Bertrand Blier (1973), Le Dernier Nabab d'Elia Kazan (1976), Le Miraculé de Jean-Pierre Mocky (1986) et La Vieille qui marchait dans la mer de Laurent Heynemann (1991), pour lequel elle obtient le César de la meilleure actrice en 1992. Dans les années 80, parallèlement à sa carrière au cinéma, Jeanne Moreau se consacre à la musique et à la télévision. Elle y apparaît dans des téléfilms et présente des émissions sur la peinture. Puis dans les années 90, elle s'investit dans le théâtre en tant qu'actrice et réalisatrice.

Si elle délaisse un tant soit peu le cinéma, le cinéma ne l'oublie pas. C'est aini qu'elle se voit remettre un Lion d'Or pour l'ensemble de sa carrière au Festival de Venise en 1991, un Oscar pour l'ensemble de sa carrière en 1998 et un Ours d'Or d'honneur au Festival de Berlin en 2000. En 2001, elle est la première femme à rentrer à l'Académie des Beaux-Arts, et en 2003, elle reçoit un hommage au Festival de Cannes. Elle continue à tourner sous la houlette de jeunes cinéastes prometteurs (Edouard Baer pour Akoibon (2004), François Ozon dans Le Temps qui reste (2005)), marque les esprits en incarnant Marguerite Duras dans Cet amour-là (2002), rend hommage à Marcello Mastroianni dans Chacun son cinéma et tourne en Israël pour Désengagement.

En 2005, en parallèle au festival Premiers plans d'Angers, Jeanne Moreau créa une école de cinéma, "Les Ateliers d'Angers" qui est une main tendue à la relève. Une relève qu'elle affectionne, comme en témoigne le César d'honneur qu'on lui attribue en 2008 et qu'elle décerne à la jeune équipe de Naissance des pieuvres.