Elle passe toute son enfance à Toulon où sa mère tient une épicerie. Elle suit sa scolarité à l'école du Fort-Rouge puis au collège de Jeunes filles avant d'entrer au Conservatoire d'art dramatique de Toulon. Elle en sort en 1957 avec un prix d'excellence et décide de devenir comédienne. Elle est à Paris en 1959, gagne sa vie pour payer ses cours de théâtre à Paris en posant pour un peintre et en gardant des enfants. Elle tiendra seulement un petit rôle au théâtre avant de commencer sa carrière devant la caméra. C'est la télévision qui la révèle grâce à La Grande Bretèche de
Claude Barma, en 1960 et à Hauteclaire de Jean Prat, en 1961, où elle est le personnage féminin principal. C'est
Georges Lautner, avec qui elle tourna treize films, qui va faire d'elle une star.
Son premier rôle important au cinéma est
Pouic-Pouic en 1963 réalisé par Jean Girault où elle est la fille de Léonard et Cynthia Monestier, incarnés par
Louis de Funès et
Jacqueline Maillan.
En 1965, elle tourne
Galia de Georges Lautner.
Elle joue aux côtés d'
Alain Delon dans L'Homme pressé, Mort d'un pourri,
Madly, Jeff,
Les Seins de glace, Il était une fois un flic,
Borsalino et en 2003 avec lui dans la série télévisée Frank Riva.
Elle joue le rôle de la strip-teaseuse de
Fantasia chez les ploucs, celui de madame Michalon dans Ne nous fâchons pas.
Elle joue aussi le rôle de Georgina dans La Chasse à l'homme d'Édouard Molinaro.
Dans les années 1970, elle tourne toujours avec
Georges Lautner dans Il était une fois un flic (1971) ou dans
La Valise (1973), mais surtout avec
Pierre Richard avec
Le Grand Blond avec une chaussure noire (1972) puis
Le Retour du grand blond (1974) d'Yves Robert où elle fait sensation avec une robe ultra-sexy. Ces rôles lui permettent de confirmer son statut de sex symbol et d'actrice phare du début des années 1970.
Dans les années 1980, sa carrière est interrompue par une opération à coeur ouvert. Puis, suite à un accident de voiture dans lequel elle est grièvement blessée, et sa séparation d'avec
Alain Delon après quinze ans de vie commune, elle quitte alors le cinéma et revient à la télévision dans les années 1990. Elle y interprète de nombreux rôles. Elle est en bourgeoise redoutable dans Les Coeurs brûlés ou Les Yeux d'Hélène. Suivent Terre indigo, Le Bleu de l'océan et Frank Riva où elle retrouve Alain Delon. Elle a également réalisé une série de reportages de société pour France Télévisions.
En 2006,
Jacques Chirac remet à Mireille Darc les insignes de la Légion d'honneur.
Début 2007, elle monte sur les planches et interprète
Sur la route de Madison au Théâtre Marigny en compagnie d'
Alain Delon.
Depuis 2005, Mireille Darc est la marraine de l'association humanitaire La Chaîne de l'Espoir pour laquelle elle a reçu le Prix Clarins en 2006.
Depuis 2008, Mireille Darc est la marraine de l'opération + de Vie, opération de solidarité pour améliorer le quotidien des personnes âgées hospitalisées.