Enfant, Anne Parillaud voulait devenir avocate. Mais sa mère a préféré l'inscrire à des cours de théâtre et de danse pour améliorer sa diction et son allure.
En 1977 elle est repérée pour jouer un petit rôle dans le film Un amour de sable de Christian Lara. Elle enchaîne alors sur un autre petit rôle dans L'Hôtel de la plage de Michel Lang, qui remporte un grand succès.
En 1980 elle joue dans Patricia, un voyage pour l'amour, un film érotique allemand sorti en salle en France trois ans plus tard. A la même époque, Just Jaeckin la dirige dans Girls. La débutante figure également à l'ombre de Catherine Deneuve dans Écoute voir de l'Argentin Hugo Santiago.
En 1981 et en 1983, Alain Delon lui propose de jouer dans deux films qu'il a écrits : Pour la peau d'un flic et Le Battant.
Les années suivantes Anne Parillaud se tourne vers la télévision, travaillant avec les réalisateurs Jean-Daniel Simon et Robert Mazoyer, les acteurs Jean-François Garreaud, Claude Giraud, Jacques Perrin, croisant pour la première fois Jeanne Moreau dans une adaptation de Françoise Dorin.
Après sa participation au film de l'Italien Ettore Scola Quelle heure est-il ?, en 1990 Nikita, réalisé par son conjoint de l'époque Luc Besson, qui a écrit le rôle spécialement pour elle, lui fait connaître un triomphe international. Sa prestation lui vaut le César de la meilleure actrice.
En 1992, elle part aux États-Unis pour interpréter un vampire dans Innocent Blood de John Landis. Parillaud travaillera par la suite régulièrement pour les Américains, incarnant la reine Anne d'Autriche, mère de Louis XIV joué par Leonardo DiCaprio, dans L'Homme au masque de fer, en 1998, partenaire ailleurs de Matt Dillon ou William Baldwin.
En France, elle joue dans les drames À la folie de Diane Kurys, face à Béatrice Dalle, et Passage à l'acte de Francis Girod, avec Daniel Auteuil et Patrick Timsit. Plus tard, Claude Lelouch lui propose un des rôles principaux de Une pour toutes. Mais le succès n'est pas au rendez-vous.
Anne poursuit une carrière internationale, travaillant avec Raoul Ruiz, Amos Gitaï, Alfonso Arau.
Au début des années 2000, Anne Parillaud partage l'affiche avec Grégoire Colin de Sex is comedy, rencontre marquante avec Catherine Breillat, et avec Richard Anconina dans Gangsters, écrit et réalisé par Olivier Marchal.
Dans un registre plus léger, en 2004 elle forme un trio d'amies avec Mathilde Seigner et Judith Godrèche dans la comédie Tout pour plaire, et en 2007 elle est la compagne de Pierre Cassignard, face à Sandrine Bonnaire et Pascal Légitimus, dans une autre comédie, Demandez la permission aux enfants !.
En 2007 également, elle joue le personnage de Madame de Solcy dans
Une vieille maîtresse de Catherine Breillat, d'après le roman de Barbey d'Aurevilly - Asia Argento joue le rôle titre. Deux ans plus tard, elle interprète pour la télévision Marie-Madeleine de Brinvilliers, mise en scène par Édouard Niermans, sur un scénario de Catherine Hermary-Vieille.
Le 14 mai 2005 elle a épousé le compositeur Jean Michel Jarre, avec lequel elle collabore : d'abord pour le DVD AERO, puis, en 2007, sa voix est utilisée dans le titre Beautiful Agony de l'album Téo et Téa.
Fin novembre 2010, Jean-Michel Jarre annonce leur prochain divorce sans vraiment avertir son épouse. Anne Parillaud, douloureusement choquée, n'a pas apprécié.