Jeanne Moreau nacque a Parigi il 23 gennaio del 1928, figlia di Anatole-Désiré Moreau, un ristoratore francese, gestore di una brasserie, e di Katherine Buckley, una ballerina inglese, nativa del Lancashire e di origini in parte irlandesi. Dopo l’infanzia trascorsa a Vichy, tornò nella capitale dove, all’insaputa dei genitori, iniziò a frequentare corsi di teatro per poi entrare al Conservatorio di Parigi. Le piccole parti iniziali si trasformarono presto in ruoli più significativi.
Il primo matrimonio con il regista Jean-Louis Richard si celebrò nel 1949. Si trattò di un’unione riparatrice, dato che il figlio Jérôme Duvon nacque subito dopo, ma nel 1951 la coppia divorziò. Nel 1950 fece il vero esordio alla Comédie-Française con lo spettacolo les Caves du Vatican, scritto da André Gide e, grazie al personaggio della prostituta da lei interpretato, ottenne la copertina di Paris Match. Seguirono altri ruoli e il ritorno ogni anno al celebre Festival d’Avignone. Incominciò in questo periodo una lunghissima e proficua amicizia con Orson Welles, con il quale dividerà il set in seguito.
Contemporaneamente al successo teatrale, giunsero per Moreau anche i primi ruoli cinematografici, dove spiccò come protagonista de La regina Margot un film del 1954 diretto da Jean Dréville. Nel 1956, durante la stagione in cui interpretò sul palcoscenico La gatta sul tetto che scotta, venne notata dal regista Louis Malle che le propose il ruolo da protagonista in Ascensore per il patibolo (Ascenseur pour l’échafaud) e in Gli amanti, due film nei quali l’attrice diede vita a un’eroina moderna e fuori dagli schemi. Nel 1958, durante il festival di Cannes, incontrò un altro regista fondamentale per la sua carriera, François Truffaut. Tra i due nacque una forte amicizia che porterà a diverse collaborazioni fortunate in futuro.
In questo stesso periodo l’attrice attraversò l’Atlantico per partecipare ad alcuni film di produzione hollywoodiana. Di questo periodo americano ricordò con piacere la frequentazione di diversi scrittori come Henry Miller e Tennessee Williams. Un primo riconoscimento ufficiale arrivò dal Festival di Cannes che nel 1960 la consacrò migliore attrice per il film Moderato cantabile di Peter Brook. Altri titoli internazionali come La notte di Michelangelo Antonioni o Eva di Joseph Losey confermarono le sue qualità di attrice rigorosa ed esigente, ma anche disponibile a mettersi nelle mani del regista.
Nel 1962 arrivò il film forse fondamentale per la sua carriera, Jules e Jim di François Truffaut. Il produttore fece uscire la canzone Le Tourbillon come singolo e il successo fu immediato, tanto che l’attrice, in pochi anni, incise ben due album. I più grandi registi, fra i quali spiccano Orson Welles e Luis Buñuel, Rainer Werner Fassbinder e Wim Wenders, la chiamarono per offrirle ruoli fatti apposta per lei. Nella seconda metà degli anni sessanta ebbe una lunga relazione con il regista inglese Tony Richardson, marito di Vanessa Redgrave, e fu sposata dal 1977 al 1979 con il regista statunitense William Friedkin. Riuscì anche a realizzare un paio di film come regista: Lumière e L’adolescente.
Continuò anche se con minore frequenza la carriera teatrale, dove ottenne sempre grandi trionfi e, negli anni ottanta, iniziò anche a girare per la televisione, in particolare in numerosi lavori diretti dalla sua amica Josée Dayan. Grazie a lei ebbe modo di tornare al cinema per interpretare un’altra sua grande amica, la scrittrice Marguerite Duras. Nel 1992 ricevette il Leone d’Oro alla carriera dalla Mostra Internazionale d’Arte Cinematografica di Venezia, mentre nel 1995 le venne attribuito il Premio César onorario.
Nel 1998 l’Academy statunitense organizzò per lei un omaggio, presentato da Sharon Stone. In patria è l’unica attrice ad aver presieduto per ben due volte la giuria del Festival di Cannes, nel 1975 e nel 1995. Dal 1986 al 1988 fu presidente dell’Académie des Césars, mentre dal 2003 è stata presidente di giuria del festival Premiers Plans dedicato ai giovani registi. Nel 2005 creò inoltre la scuola di cinema “Les Ateliers d’Angers”.
Morì il 31 luglio 2017 nella sua casa parigina di rue du Faubourg-Saint-Honoré.