Jane Birkin est la fille de David Birkin (1914-1991), commandant dans la Royal Navy, et de l'actrice Judy Campbell (1916-2004), (muse de Noel Coward, le célèbre dramaturge britannique). Elle a une soeur cadette, Linda, et un frère, Andrew Birkin, acteur et réalisateur qui a joué avec elle dans le film La Pirate et a dirigé Charlotte Gainsbourg (la fille qu'elle a eue avec Serge Gainsbourg) dans The Cement Garden (en). Le poète et musicien Anno Birkin (en) et l'acteur David Tristan Birkin (en) sont ses neveux.
Pendant la Seconde Guerre mondiale, son père a aidé la Résistance française en transportant de nuit, entre l'Angleterre et la Normandie, des combattants de la France libre. Il a, entre autres, sauvé François Mitterrand.
Jane Birkin est la descendante de Charles II roi d'Angleterre et d'Écosse, la petite-nièce de Freda Dudley Ward, maîtresse d'Édouard VIII roi de Grande-Bretagne alors prince de Galles, cousine du mathématicien et philosophe Bertrand Russell et du réalisateur Carol Reed.
Jane Birkin raconte, dans Jane B. par Agnès V. que, quand elle était à l'internat, enfant sur l'île de Wight, elle était appelée par son numéro de chambre : « Ninety-Nine » (ce qui signifie 99). L'actrice préférée de Jane Birkin est probablement Marilyn Monroe (à qui Gainsbourg avait consacré la chanson Norma Jean Baker), comme elle l'explique dans le film d'Agnès Varda.
En 1964, elle débute au cinéma en Angleterre dans le film de Richard Lester, Le Knack... et comment l'avoir, film emblématique du Swinging London où elle apparaît aux côtés d'autres débutantes telles que Jacqueline Bisset ou Charlotte Rampling.
Le film est un succès et Jane Birkin enchaine sous la direction de Michelangelo Antonioni dans le film Blow Up, présenté au Festival du film de Cannes : remporte La Palme d'or
Elle épouse le compositeur anglais John Barry (auteur de la musique de plusieurs James Bond, du thème de The Knack ou de la série télévisée Amicalement vôtre). De leurs amours naît une fille en 1967, Kate Barry, plus tard connue en tant que photographe.
Elle décide alors d'aller en France pour tenter sa chance comme actrice. Elle est engagée après des essais désastreux (elle finira en pleurs) pour le film
Slogan de Pierre Grimblat sur lequel elle rencontre l'acteur et auteur-compositeur-interprète-cinéaste français Serge Gainsbourg. Grimblat raconte qu'au début du tournage, Birkin et Gainsbourg ne s'entendaient pas du tout (Gainsbourg sortait de sa relation avec Brigitte Bardot et n'appréciait pas trop cette Anglaise qui faisait des fautes de français) et qu'il les a invités au restaurant Maxim's pour diner, diner auquel il n'est pas allé.
Elle devient alors la compagne de Serge Gainsbourg ; ils sont pendant dix ans un couple très médiatique, et ont une fille, Charlotte Gainsbourg, en 1971.
Elle quitte Serge Gainsbourg. Plusieurs raisons sont avancées : l'alcool, le mode de vie et même des coups qu'elle a reçus d'après le propre aveu de Serge Gainsbourg (aveu qu'il fait à sa première femme). Après cette rupture, elle est, de 1980 à 1992, la compagne du réalisateur Jacques Doillon, avec lequel elle a une fille, Lou Doillon. On lui connaît ensuite une relation avec l'auteur Olivier Rolin.
En mars 1991, Jane Birkin a perdu à quelques jours d'intervalle Serge Gainsbourg (mort le 2 mars) et son père David Birkin (mort le 7 mars à 77 ans, le jour même des obsèques de Serge).
Jane Birkin est l'inspiratrice du fameux Birkin bag (en) d'Hermès (sac qui a connu et connaît encore un succès énorme). Lors d'un voyage en avion où elle était assise à côté du directeur d'Hermès, elle s'est plainte (sans savoir qui il était) de son sac. Il lui a proposé de dessiner le type de sac qui lui conviendrait le mieux. De là, il a créé un sac qu'il a baptisé du nom de son inspiratrice.
Par ailleurs, Jane Birkin s'investit dans des actions humanitaires (avec entre autres Amnesty International), et a été la marraine du Téléthon en 2001.
Serge Gainsbourg a été son pygmalion en ce domaine, la propulsant au sommet des hit-parades en 1969 avec le sulfureux duo Je t'aime... moi non plus, initialement écrit pour Brigitte Bardot. La chanson est jugée obscène par le journal du Vatican, l'Osservatore Romano.
Un album aux deux signatures Serge Gainsbourg-Jane Birkin suit en 1969. La voix enfantine de la chanteuse, parfois proche d'un simple souffle, son accent anglais prononcé, la rendent immédiatement reconnaissable. C'est le départ d'une longue collaboration qui aboutira à une oeuvre à peu près unique dans la chanson française. Plusieurs albums de Jane Birkin ont été Disques d'or dont Baby Alone in Babylone (1983) et Arabesque.
Durant les années 1970 et 1980, Jane Birkin enchaîne les albums studio et les prestations télévisées, notamment dans les shows de Maritie et Gilbert Carpentier.
Ce n'est qu'en février 1987, à 40 ans, qu'elle fait ses débuts sur scène au Bataclan.
À la mort de Gainsbourg, après une nouvelle série de concerts au Casino de Paris, Jane Birkin enregistre plusieurs albums où elle reprend les chansons qu'il lui a écrites (ou qu'il a écrites pour d'autres), comme dans Versions Jane et Arabesque.
Elle devient ainsi l'ambassadrice de l'oeuvre de Gainsbourg et donne des concerts à travers le monde (aussi bien à Tokyo qu'à New York en passant par la Palestine). La série de concerts d'Arabesque rencontre un succès certain et propose une version orientalisée de sa musique.
Birkin tente aussi l'aventure en dehors de Gainsbourg et convoque de nombreux compositeurs pour trois albums à succès : À la légère, où elle côtoie Zazie et MC Solaar, l'album de duos Rendez-vous, ou le récent Fictions.
Son statut d'icône internationale lui permet de collaborer avec des musiciens étrangers talentueux et variés tels que Brian Molko (du groupe britannique Placebo), Rufus Wainwright, Beth Gibbons (de Portishead) ou encore Caetano Veloso. Elle est également servie par des textes de musiciens français tels que Étienne Daho, Cali, Arthur H, Zazie, Dominique A, ou Alain Souchon (avec qui elle avait fait un duo pour le film Comédie de Doillon).
En novembre 2008, Birkin publie le premier album dont elle a écrit tous les textes, Enfants d'hiver. Certains textes ont été écrits il y a 7 ans, avant la tournée Arabesque et la sortie de deux autres disques. Certains textes ont été écrits pendant le tournage de son film Boxes. Et d'autres deux mois plus tôt. Le disque a un côté autobiographique. Jane a commencé à écrire à l'âge de 12 ans, en rédigeant son carnet intime à l'internat. Elle aura mis 40 ans à sortir tout un album constitué de ses propres textes, depuis le duo de 1969 Je t'aime... Moi non plus avec Serge Gainsbourg,.
En 2009, elle enregistre une relecture réussie des Dessous chics en duo avec Étienne Daho, extraite de l'album Daho Pleyel Paris.
En 2010, elle interpréte "Roissy" un duo inattendu avec Florent Marchet sur le dernier album de celui-ci Courchevel.
Après ses débuts en Grand-Bretagne, Birkin devient une vedette populaire en France, souvent employée pour des comédies où elle joue des rôles de « ravissante idiote » (son duo avec Pierre Richard se conclut par de nombreux succès au box-office). À noter qu'elle tourne dans : Sérieux comme le plaisir de Robert Benayoun, film sorti en 1975 dans lequel joue aussi Serge Gainsbourg. Dans Don Juan 73 de Roger Vadim, elle tourne une scène culte homosexuelle (pour l'époque) et de callipygies avec Brigitte Bardot.
Dans les années 1980, elle connaît un tournant vers le cinéma d'auteur à partir de sa rencontre avec Jacques Doillon et du film La Fille prodigue. Si le film ne marche pas (il sort pendant l'élection présidentielle), il prouve que Birkin est capable de jouer dans les deux registres. Elle le commente un quart de siècle plus tard (mars 2006) : « C'était la première fois qu'une personne tournant des films dits intellectuels pensait à moi. Jacques Doillon était un réalisateur de films qui n'était pas intéressé à me voir sans mes vêtements. Il m'a dit : « Je vous veux boutonnée jusqu'au cou, je veux savoir ce qui se passe dans votre tête et je veux que vous fassiez une crise de nerfs. » J'ai donc fait La Fille prodigue et dès lors j'ai été considérée comme une actrice sérieuse en France, et des réalisateurs comme Jacques Rivette, Agnès Varda ou Jean-Luc Godard m'ont sollicitée, alors qu'avant j'étais une vedette populaire, mais avec rien dans la tête ».
Dans Jane B. par Agnès V., Varda demande à Birkin de fixer l'objectif de la caméra, ce que celle-ci a du mal à faire. Varda ne tarde pas à comprendre que finalement, dans le film, elle se dévoile autant (si ce n'est plus) que Birkin. Jane Birkin dit d'ailleurs cette phrase « Même si on déballe tout, finalement on ne dévoile pas grand chose » qui explique l'essence-même du film et son échec dans la compréhension de Birkin par Varda, ce qui n'est finalement pas l'enjeu principal.
Cette remise en question lui vaut donc de tourner avec les plus grands cinéastes contemporains (il faut ajouter James Ivory, Alain Resnais ou encore Bertrand Tavernier) à cette liste) dans des rôles variés.
Presque totalement absente au cinéma dans les années 1990 (consacrées à la chanson et marquées par la mort de Gainsbourg), elle revient jouer dans des films auréolée d'un statut d'icône tels que Merci docteur Rey d'Andrew Litvack ou encore Mariées mais pas trop de Catherine Corsini (les deux cinéastes lui font des hommages appuyés dans ces films).
Lors du tournage de Jane B. par Agnès V., Agnès Varda la pousse à concrétiser ses projets d'auteur (scénariste-réalisatrice). C'est ainsi qu'elle écrira le scénario de Kung-Fu Master connu aussi sous le titre Le petit amour, (également réalisé par Varda, juste après le premier film) et qu'elle réalisera (pour la télévision) et mettra en scène (au théâtre) sa pièce Oh, Pardon tu dormais avec Christine Boisson et Pierre Arditi.
Birkin a tourné son premier long métrage de cinéma en tant que réalisatrice, Boxes (qui réunit Géraldine Chaplin, Natacha Régnier ou encore sa fille Lou Doillon) en 2006. Le film est sorti en salles en juin 2007.
Dans Serge Gainsbourg : vie héroïque de Joann Sfar, elle est interprétée par Lucy Gordon, qui s'est suicidée le 20 mai 2009 à Paris.