La famille de Barbara Bouchet émigra aux États-Unis après la Seconde Guerre mondiale. La carrière de l'actrice commença par quelques petits rôles au cinéma américain (Papa play-boy, (en) Madame Croque-Maris, Les Séducteurs, Prête-moi ton mari, Une vierge sur canapé, John Goldfarb, Please Come Home, (en) Première victoire, (en) Le Mur des espions et (
Sweet Charity) et des rôles ponctuels dans des séries télévisées américaines ((en) The Rogues, Voyage au fond des mers, Des agents très spéciaux, Le Virginien, Tarzan et Star Trek).
En 1967, Barbara Bouchet acquit une célébrité internationale en devenant une des James Bond girls du film britannique Casino Royale. Elle tourna encore un autre film en Grande-Bretagne : Le Coup du lapin, puis un film philippin : Surabaya Conspiracy.
Puis à partir de 1969, l'actrice partit faire carrière en Italie, où elle joua dans de très nombreux films, parmi lesquels Un prêtre à marier, La Tarentule au ventre noir, La Vie sexuelle de Don Juan, Les Mille et Une Nuits érotiques, (it) Milan calibre 9, Maison de rendez-vous, (it) La dame rouge tua 7 fois, La Longue Nuit de l'exorcisme, Le Canard à l'orange, Vertiges, L'Ombre d'un tueur, Deux idiots à Monte Carlo, Diamants de sang, Les Zizis baladeurs, Je suis photogénique...
Elle joua aussi dans les téléfilms américains (en) Cool Million (1972) et (en) Le Pourpre et le Noir (1983) et dans le film américain
Gangs of New York (2002).