Fille de Jean-Marie Binoche, marionnettiste, metteur en scène et sculpteur et de Monique Stalens (n. 1939 à Cz?stochowa), comédienne et institutrice franco-polonaise, elle est la soeur de la réalisatrice Marion Stalens. Juliette Binoche s'initie très tôt aux cours d'art dramatique de sa mère, puis de Vera Gregh. Après avoir joué dans quelques pièces de théâtre et travaillé comme caissière dans un grand magasin parisien, elle débute au cinéma auprès de metteurs en scène renommés comme Jean-Luc Godard, Jacques Doillon ou André Téchiné.
C'est sur le tournage de
Mauvais sang en 1986, qu'elle rencontre le réalisateur Leos Carax et devient sa compagne. Ils se séparent pendant le tournage des
Amants du Pont-Neuf. C'est son interprétation face à Daniel Day-Lewis dans L'Insoutenable Légèreté de l'être (1987) ou dans
Fatale (1992) face à Jeremy Irons qui la propulse au plan international.
Sollicitée par Steven Spielberg pour Jurassic Park, elle préfère tourner avec
Krzysztof Kieslowski dans Bleu (1993), et décroche ainsi le César de la meilleure actrice. Elle avait été nommée déjà quatre fois et trois autres nominations suivront.
Juliette Binoche donne naissance à Raphaël, en 1993. Le père est André Hallé.
Jouant les héroïnes romantiques dans
Le Hussard sur le toit (1995) ou Le Patient anglais (1997) pour lequel elle reçoit l'Oscar du meilleur second rôle, elle est également nommée à l'Oscar de la meilleure actrice en 2000 pour sa participation à la comédie romantique Le Chocolat avec Johnny Depp.
Elle donne naissance le 18 décembre 1999 à Hannah, dont le père est l'acteur Benoît Magimel avec qui elle a tourné Les Enfants du siècle (1999), dans lequel elle interprétait George Sand.
Juliette Binoche joue une esthéticienne bavarde coincée dans un aéroport dans Décalage horaire (2002), puis tourne coup sur coup en 2005 le thriller Caché de Michael Haneke et le drame
Mary d'Abel Ferrara, entre autres.
En 2008, Juliette réalise une tournée mondiale de danse contemporaine avec le chorégraphe anglais d'origine bangladi Akram Khan pour le spectacle In I,, et comme publicité s'offre la couverture de Playboy. Juliette Binoche explique ainsi : « J'ai été convaincue par une jeune équipe qui veut changer Playboy, comme on voudrait changer le monde, en parlant du corps différemment, en lui rendant son âme. »
Elle a partagé la vie du réalisateur et scénariste argentin Santiago Amigorena, rencontré en 2006 sur le tournage du film Quelques jours en septembre dont elle est séparée depuis 2009.
En 2010, elle remporte le Prix d'interprétation féminine lors du 63e festival de Cannes pour le film Copie Conforme d'Abbas Kiarostami. Cette distinction la place parmi les actrices les plus récompensées au monde, car outre son Oscar et son César, elle a la spécificité d'être la seule actrice au monde à avoir réussi le « grand chelem », à savoir recevoir les prix d'interprétation des trois plus grands festivals de cinéma internationaux que sont Cannes, Venise et Berlin.