Sa première apparition, dans Marie-poupée de Joël Séria, en 1976, est remarquée. Elle tourne divers films pour la télévision, dont certains, comme Les Dames de la côte de Nina Companeez, attirent l'attention de François Truffaut, qui fait d'elle le premier rôle de La Femme d'à côté (1981) et de Vivement dimanche ! (1984). Elle sera sa dernière compagne.
Elle travaille aussi avec Vittorio Gassman dans Benvenuta (1983) d'André Delvaux et La vie est un roman (1983) d'Alain Resnais, avec également Géraldine Chaplin. Après la mort de Truffaut en 1984, Fanny Ardant participe aux films
Un amour de Swann (1984), avec Ornella Muti, Michele Placido et Alain Delon,
Conseil de famille (1986) de Costa-Gavras, avec Johnny Hallyday, et à La Famille (1986), d'Ettore Scola, à nouveau avec Gassman.
Après quelques films mineurs, elle apparaît dans
Le Colonel Chabert (1994) d'Yves Angelo,
Sabrina (1995) de Sydney Pollack, et surtout Par-delà les nuages (1995), de Michelangelo Antonioni, avec Marcello Mastroianni, Inés Sastre et Claudia Cardinale. Elle rejoint ensuite Mastroianni dans Les Cent et Une Nuits (1995) d'Agnès Varda puis remporte un César pour la comédie Pédale douce (1996) de Gabriel Aghion. Elle rejoint la distribution du film choral Le Dîner (La Cena, 1998) d'Ettore Scola, dernière variation sur le couple Ardant-Gassman avant la disparition de ce dernier.
Les années 2000 lui offrent des rôles importants dans Sin noticias de Dios (2001), Huit Femmes avec Catherine Deneuve, Virginie Ledoyen, Emmanuelle Béart, Isabelle Huppert et Ludivine Sagnier, Callas Forever de Franco Zeffirelli (2002) et L'Odeur du sang (2003) avec Michele Placido.
En 2007, elle déclenche la colère d'hommes politiques italiens et de familles de victimes du terrorisme en confiant dans une interview qu'elle considérait Renato Curcio, fondateur des Brigades rouges, comme « un héros ». Piero Mazzola, fils d'un policier abattu en 1974 par les Brigades rouges, a déposé plainte contre l'actrice. Fanny Ardant a présenté ses excuses : « Je comprends que des gens m'aient traitée d'idiote. Je ne leur donne pas tort. Je ne suis pas une politicienne, je n'ai pas d'expérience. Je ne suis qu'une actrice, une personne ordinaire. »
En 2009, elle réalise son premier film Cendres et Sang.
Célibataire, elle est mère de trois filles : Lumir (née le 4 avril 1975) de Dominique Leverd, Joséphine (née le 28 septembre 1983) de François Truffaut, Baladine (née le 24 avril 1990) de Fabio Conversi.