Après avoir passé une partie de son enfance à Vichy et à Mazirat, la future comédienne achève ses études secondaires à Paris et commence à suivre, à l’insu de ses parents, les cours de théâtre de Denis d’Inès, alors doyen de la Comédie-Française. En 1946, elle entre dans sa classe comme auditrice, au Conservatoire national supérieur d’art dramatique de Paris. Début 1947, elle passe le concours d’entrée au Conservatoire tout en jouant un petit rôle dans « Le lever de soleil« . En septembre 1947, elle participe au premier festival d’Avignon avec de brèves apparitions dans trois pièces.
Pensionnaire de la Comédie-Française, c’est à la suite de la publication d’une photo d’elle dans la pièce « Un mois à la campagne » que son père la chasse de la maison familiale. Elle se fait réellement remarquer en 1950 dans « Les caves du Vatican » d’André GIDE, mise en scène par Jean MEYER, où elle joue la petite prostituée. Ce rôle lui vaut la couverture de « Paris Match » et les félicitations de Paul LÉAUTAUD. Elle obtient ses premiers rôles au cinéma dans « Meurtres » de Richard POTTIER en 1950, puis dans « Touchez pas au grisbi » de Jacques BECKER en 1954. La même année, elle est une très sensuelle et frivole Reine Margot pour Jean DRÉVILLE.
En 1956, alors qu’elle joue dans la pièce « La chatte sur un toit brûlant« , elle rencontre Louis MALLE qui prépare le film « Ascenseur pour l’échafaud » et le scénariste Roger NIMIER qui lui présente Paul MORAND. Cette œuvre révèle toute la subtilité de son jeu et « Les amants« , qui fait scandale lors de sa sortie, lui donne l’image d’une héroïne moderne. Pour Roger VADIM, elle incarne un avatar de la marquise de Merteuil auprès de son compère de toujours Gérard PHILIPE dans « Les liaisons dangereuses » en 1960, transposition contemporaine du roman de Choderlos DE LACLOS. Elle obtient le « Prix d’interprétation féminine » du Festival de Cannes 1960 pour « Moderato cantabile » de Peter BROOK, d’après Marguerite DURAS.
1962 marque un tournant dans la carrière de Jeanne MOREAU avec le film « Jules et Jim » de François TRUFFAUT. Le producteur Jacques CANETTI sort la bande originale du film « Le tourbillon » (une chanson immortalisée en duo avec Vanessa PARADIS en 1995, au Festival de Cannes), qu’elle interprète dans le film avec Serge REZVANI à la guitare. Le succès du film et de la bande originale est immédiat. À la suite de l’énorme succès rencontré par cette œuvre, elle ne cessera d’être sollicitée par les grands réalisateurs. Son dernier rôle au cinéma sera celui de la grand-mère de Thibault REDINGER dans « Le talent de mes amis » réalisé par Alex LUTZ, en 2015.
Sa carrière en tant que chanteuse démarre avec deux albums originaux de Serge REZVANI (alias Cyrus BASSIAK) en 1963 et 1967, dont le fameux « J’ai la mémoire qui flanche » et « Tout morose« . Suivront d’autres albums dont, en 1981, l’album sur des textes du poète belge NORGE, toujours enregistré par Jacques CANETTI. En 2010, elle enregistre avec Etienne DAHO l’intégrale du « Condamné à mort« , long poème de Jean GENET, à l’occasion du centenaire de l’anniversaire de naissance de l’écrivain et revient à Avignon en juillet 2011 pour lire encore une fois ce texte, toujours chanté par Etienne DAHO sur une musique d’Hélène MARTIN. En 2011 elle chante en duo avec Christian OLIVIER le single « Emma« , intégré à l’album « L’an demain » des TÊTES RAIDES.
Le 31 juillet 2017, l’actrice, à la beauté sensuelle et à l’inimitable voix grave, qui a fasciné les plus grands réalisateurs, a été retrouvée morte à son domicile parisien, par sa femme de ménage. Elle avait 89 ans.