De son vrai nom Michèle Cortes de Leone y Fabianera, Françoise Fabian est née le 10 mai 1933. Elle a des origines espagnoles (Catalogne) par son père et polonaises par sa mère. Elle commence sa formation artistique au Conservatoire de Musique d'Alger, où elle apprend le piano et l'harmonie. Après son baccalauréat elle arrive à Paris au début des années cinquante, et s'inscrit au Conservatoire d'art dramatique, où elle rencontre Jean-Paul Belmondo et Jean-Pierre Marielle. Jean Meyer, metteur en scène de la Comédie-Française dirige ses premiers pas au théâtre. Sa première prestation est un rôle en 1954 dans la pièce : Le Pirate et elle débute en 1955 au cinéma dans Bon voyage de Louis Felix. En 1956, elle apparaît dans cinq films : Mémoires d'un flic, Le Feu aux poudres, Cette sacrée gamine, Le Couturier de ces dames et Michel Strogoff (voir filmographie). En 1957, elle épouse le réalisateur Jacques Becker (1906-1960), mais suite au décès prématuré de celui-ci, elle n'aura pas l'occasion de tourner sous sa direction. En 1963, elle épouse Marcel Bozzuffi (1929-1988), avec qui elle vivra jusqu'au décès de ce dernier.
Durant les années 1960, elle tourne très régulièrement et travaille pour des réalisateurs de premier plan, Gilles Grangier (Maigret voit rouge en 1963), Louis Malle (Le Voleur en 1966), Luis Buñuel (
Belle de jour en 1966 où elle incarne une prostituée dans un bordel) et Éric Rohmer (Ma nuit chez Maud en 1969, elle donne la réplique à Jean-Louis Trintignant), des rôles où elle laisse transparaître son potentiel. C'est dans la décennie 1970 qu'elle va le plus tourner avec, pour commencer, Raphaël ou le débauché de Michel Deville, où elle doit faire face à un Maurice Ronet implacable.
Dès lors, elle ne va cesser de tourner et bâtir une filmographie importante avec notamment Yves Boisset, Mauro Bolognini, Henri Decoin, André Delvaux, Jacques Demy, Pierre Granier-Deferre, Alex Joffé, Nelly Kaplan, Claude Lelouch, Louis Malle,
Edouard Molinaro, François Ozon, pour n'en citer que quelques-uns. Parallèlement, elle poursuit une riche carrière au théâtre, et travaille pour des metteurs en scène tels que Michael Cacoyannis, Jacques Charon, Jorge Lavelli, Jean Marais, Marcel Maréchal, Pierre Mondy, Yasmina Reza, Claude Santelli ou Jacques Weber.