Née à Paris, Irène Jacob, fille du physicien Maurice Jacob, passe son enfance à Genève, où ses parents s'installent alors qu'elle n'a que trois ans. Passionnée par le théâtre, elle revient à Paris en 1984, l'année de ses 18 ans. Elle doit sa première apparition au cinéma à Louis Malle qui lui confie le rôle d'une professeur de piano pour quelques scènes du film Au revoir les enfants en 1987. L'année suivante, Jacques Rivette la retient pour un petit rôle dans La Bande des quatre.
En 1991, elle incarne l'héroïne de La Double Vie de Véronique de
Krzysztof Kieslowski. Pour ce rôle, elle obtient le prix d'interprétation féminine à Cannes. Elle a alors 24 ans. En 1993, le réalisateur polonais lui confie le premier rôle féminin de Rouge, le dernier volet de Trois couleurs. Elle y donne la réplique à Jean-Louis Trintignant et y côtoie Juliette Binoche et Julie Delpy, les héroïnes de Bleu et Blanc, dans la scène finale.
Malgré la reconnaissance de la critique, son début de carrière est consacré à des films confidentiels. Polyglotte, Irène Jacob se construit, dans un second temps, une carrière internationale. C'est ainsi qu'elle joue sous la direction de Michelangelo Antonioni et Wim Wenders dans Par-delà les nuages en 1995, et obtient un rôle dans U.S. Marshals aux côtés de Tommy Lee Jones et Wesley Snipes. L'année suivante, elle apparait, sportive et sexy portant un pantalon de cuir noir, dans un film d'espionnage finlandais Spygames en jeune et ambitieuse recrue du KGB. Par ailleurs, elle n'oublie pas le théâtre où elle concrétise quelques projets.
Sa filmographie est très éclectique allant du drame à la comédie en passant par les films d'action, sous la caméra de réalisateurs de toute nationalité, reconnus ou confidentiels.
Parallèlement à sa carrière de comédienne, elle a également chanté en duo avec - entre autres - Vincent Delerm et avec l'Orchestre National de Jazz. Irène Jacob est également la voix française de l'attraction Studio Tram Tour à Disneyland Paris.
Irène prépare la sortie de son album "Je sais nager" - composé avec son frère Francis Jacob, guitariste de jazz.
Le chanteur Jean-Luc Le Ténia lui a dédié une chanson intitulée: "Irène Jacob", sur son album: "l'amour et/ou la poésie".