Arrière-petit-fils d'un cap-hornier et fils d'un militaire de carrière dans l'infanterie souvent en mission (Indochine, Algérie), il s'engage pour sept ans dans la marine nationale en 1963, à l'âge de 16 ans, entre à l'École des apprentis mécaniciens de la flotte de Toulon comme « arpette », et sort major de sa promotion, matelot breveté. En 1965-1966, matelot puis quartier-maître, il embarque sur le porte-hélicoptères Jeanne d'Arc et participe aux deux premières campagnes d'application à la mer des officiers élèves. Il embarque ensuite sur la frégate Duquesne avant de quitter la marine pour tenter sa chance en tant qu'acteur.
Il a ainsi fait deux fois le tour du monde avec la Marine avant d'enchaîner divers métiers aux Halles ou dans une agence de publicité puis de se lier à une troupe de théâtre itinérante de La Rochelle à 22 ans et enfin d'intégrer le Conservatoire national supérieur d'art dramatique entre 1971 et 1974. Il y décroche un premier prix de comédie classique et moderne.
C'est peu après qu'il rencontre l'actrice Anny Duperey, avec laquelle il vit 18 ans et a deux enfants : Gaël (né en 1982) et l'actrice Sara Giraudeau (née en 1985), révélation féminine de la 21eNuit des Molières en mai 2007.
Il fait ses premiers pas à l'écran avec Jean Gabin dans
Deux hommes dans la ville (1973) et rapidement alterne les grands rôles au cinéma et au théâtre. En 1987, il passe de l'autre côté de la caméra en devenant réalisateur, tout en continuant à tourner comme acteur.
En 2000, un cancer l'oblige à subir l'ablation du rein gauche, puis il souffre d'une métastase au poumon en 2005, ce qui le contraint à ralentir ses activités. Bernard Giraudeau comprend qu'il doit changer de vie. Il raconte alors que le cancer lui a permis d'apprendre à se connaître. Il consacrera une partie de son temps à aider les malades en soutenant l'Institut Curie et l'Institut Gustave Roussy.
Dans les dernières années de sa vie, il se consacre avec succès à l'écriture et devient membre de l'association des « Écrivains de marine ». Son roman Les Dames de nage s'est classé 15e des ventes de romans en France en 2007 avec 117 000 exemplaires vendus, et ce avant sa publication en format de poche en 2008. Son dernier titre, Cher Amour, publié en mai 2009 aux éditions Métailié, s'est classé 8e des ventes au classement Relay-Relaxnews du 10 au 16 juin 2009.
Bernard Giraudeau a été le président de la 23e Nuit des Molières le 26 avril 2009.
Profondément attaché à la Marine nationale, il est le parrain de la promotion 2010 de l'école des mousses, baptisée « Frégate Thétis », du « nom de la frégate qui a accueilli la première promotion de l'École des mousses, en 1856 ». Cette promotion est aussi la première depuis la fermeture en 1988 de la vénérable école qui renaît en septembre 2009. En octobre 2009, Bernard Giraudeau participe à la cérémonie de réouverture, aux côtés du ministre de la Défense Hervé Morin et de l'amiral Pierre-François Forissier, chef d'état-major de la marine.
Le 4 novembre 2009, il se voit décerner le Prix Mac Orlan pour Cher Amour, publié aux Éditions Métailié en mai 2009. Il ne peut se rendre à la cérémonie pour raisons de santé.
Bernard Giraudeau meurt le 17 juillet 2010, dans un hôpital parisien, à l'âge de 63 ans, des suites du cancer qu'il combattait depuis dix ans.
Sa dernière compagne, Thora Mahdavi-Chalandon, précédemment mariée à Fabien Chalandon (fils d'Albin Chalandon), selon certaines sources de la presse people, serait enceinte (en janvier 2011).