Fille de pharmacien, elle se destine à la danse. Elle entre à l'opéra de Nîmes où elle fait la connaissance de son futur mari Gérard Blain. Après sa séparation d'avec Gérard Blain, elle épouse en secondes noces le sculpteur hongrois Diourka Medveczky dont elle aura trois enfants :
Pauline (décédée accidentellement en 1988), Élisabeth et David.
À Paris, elle rencontre François Truffaut, qui lui offre son premier rôle dans le court-métrage Les Mistons (1957), tourné la même année à Nîmes. Elle devient rapidement une figure représentative de la Nouvelle Vague.
Elle était l'héroïne de Une belle fille comme moi de François Truffaut ; elle joue aussi dans quelques films de Claude Chabrol comme
Le beau Serge en 1957 ; enfin elle joue le rôle de Marie dans La Maman et la Putain (1973), de Jean Eustache, considéré par certains comme le dernier film marquant de la Nouvelle vague.
La Fiancée du pirate de Nelly Kaplan, en 1969, lui permet de renouer avec le succès. Dans les années 1980, elle apparaît dans plusieurs films de Jean-Pierre Mocky mais surtout dans L'Effrontée de Claude Miller en 1985 qui lui valut le César de la meilleure actrice dans un second rôle.
L'été 1988, elle perd sa fille
Pauline dans des conditions tragiques.
En 1995, elle reçoit le Prix Reconnaissance des cinéphiles à Puget-Théniers par l'association Souvenance de cinéphiles pour l'ensemble de sa carrière.
En mai 2007, elle préside le jury de la cinquième édition du Prix de l'éducation nationale décerné à l'occasion du 60e Festival de Cannes. Le jury, composé de 10 membres, visionne pendant « la quinzaine » la sélection officielle et la sélection « Un certain regard » et prime l'un de ces films en compétition.
Elle est faite Officier de la Légion d'honneur le 14 juillet 2009.