Son père était archéologue, directeur du Service des Antiquités au Liban à la naissance de sa fille, et sa mère aventurière. Elle passe son enfance dans plusieurs pays et poursuit sa scolarité comme interne au Collège Cévenol (47/50). Dès l'âge de seize ans elle prend des cours d'art dramatique avec
Pierre Bertin et
Tania Balachova.
À vingt ans, elle décroche son premier rôle, l'Amour en papier de
Louis Ducreux. Delphine envisage d'entrer au TNP, mais sa voix est jugée trop particulière. Elle part pour les États-Unis, et après avoir pris des cours à l'Actor Studio, tourne son premier film, Pull My Daisy, de Robert Frank (1958).
En 1960 elle revient à Paris, elle joue Un Mois à la campagne, d'Ivan Tourgueniev, sous la direction d'André Barsacq au Théâtre de l'Atelier. Elle rencontre
Alain Resnais. Il lui confie un rôle clé dans L'Année dernière à Marienbad. Elle connaît aussitôt une notoriété mondiale. Au théâtre, elle interprète
Jean-Claude Carrière (L'Aide-Mémoire),
Harold Pinter (La Collection, L'Amant),
Peter Handke (La Chevauchée sur le lac de Constance), le plus souvent sous la direction d' André Barsacq ou de Claude Régy. Alain Resnais, en 1963, lui confie le rôle d' Hélène Aughain dans
Muriel, ou le temps d'un retour.
En 1968, sous la direction de François Truffaut, elle joue la troublante Fabienne Tabard de Baisers volés. Dans ce film charnière du cycle Antoine Doinel, elle est à la fois l'incarnation de la femme romantique et inaccessible mais aussi la représentation de la femme réaliste et maîtresse de son destin. Antoine Doinel, dans Baisers volés, dit du personnage interprété par Delphine Seyrig : « Ce n'est pas une femme, c'est une apparition ». Delphine Seyrig trouve en
Alain Resnais et en François Truffaut deux réalisateurs qui, en quelques films, la rendent inoubliable, en particulier par le timbre de sa voix, que
Michael Lonsdale compare à un violoncelle.
Au cinéma, elle tourne avec les meilleurs :
William Klein (Qui êtes-vous, Polly Maggoo ?, 1966 et
Mister Freedom, 1968) ;
Marguerite Duras (La Musica, 1966,
India Song, 1975 et
Baxter, Vera Baxter,1977) ;
Joseph Losey (
Accident,1967) ;
Jacques Demy (Peau d'Âne, 1970) ; Luis Buñuel (La Voie lactée, 1969 et
Le Charme discret de la bourgeoisie, 1972);
Chantal Akerman (
Jeanne Dielman, 23, quai du commerce, 1080 Bruxelles, 1975). Elle joue avec
Sami Frey, son compagnon, dans le film ovni Le Journal d'un suicidé de Stanislav Stanojevic, sélectionné à Cannes et à Venise en 1972.
Pour la télévision, elle interprétera Mmede Mortsauf dans l'adaptation du Lys dans la vallée tournée par Marcel Cravenne en 1970.
Parallèlement à sa carrière artistique, elle mène aussi, souvent aux côtés de
Marguerite Duras, une vie de militante.
Elle meurt à 58 ans, des suites d'un cancer du poumon. Elle repose au cimetière du Montparnasse à Paris.