A filmes pályához angol táncosnő anyjától kapott kedvet, de ehhez le kellett küzdenie montmartre-i vendéglős apjának ellenállását. Még húszéves sem volt, amikor - máig legfiatalabbként - a klasszikus stílus fellegárának számító Comédie Francaise tagja lett, innen Vilar színházába igazolt, ahol Gérard Philipe-pel is játszhatott. Filmes karrierjét Louis Malle rendező indította el 1957-ben, amikor ráosztotta a Felvonó a vérpadra című film főszerepét, az országos ismertséget Malle következő filmje, a Szeretők hozta meg számára. Ezután Roger Vadim rendezte a jelen időbe helyezett Veszedelmes viszonyokban, s a kritika egyedül őt dicsérte, 1960-ban a Moderato cantabile című filmért megkapta a Cannes-i Filmfesztivál legjobb női alakítás díját.
Színészi erejét Antonioni Éjszakájában és Truffaut Jules és Jim-ében mutathatta meg, az előbbiben apró rezdülésekkel, finom jelzésekkel fejezte ki egy házasság végső kiüresedését. Truffaut filmje a francia újhullámos szimbolikus darabja, a nem klasszikus baráti, szerelmi hármasban nem csak érzékenységet, hanem játékosságot és humort is sugárzott. A következő években rendezte őt Tony Richardson (Mademoiselle), Malle (a Viva Maria című sztárparádéban Brigitte Bardot volt partnere), Orson Welles (aki a világ legnagyobb színésznőjének nevezte), Luís Bunuel (Egy szobalány naplója), Elia Kazan (Az utolsó filmcézár), Fassbinder (Querelle) és Win Wenders (A világ végéig).
Filmográfiájában nyolcvan film szerepel, utoljára tavaly állt a felvevőgép elé.
A női témák iránt mindig vonzódó Moreau megpróbálkozott a rendezéssel is, bár önmagát mindvégig csak kísérletezőnek tartotta. 1975-ben Fény címmel készített filmet négy színésznőről, az egyik főszerepet ő alakította, 1980-ban forgatta az önéletrajzi ihletésű A kamaszlányt és rendezett operát is. Élete során számos íróval kötött barátságot, s maga is megírta önéletrajzát.
A szakmájában és a magánéletben is szigorú és következetes Moreau az egyetlen színésznő, aki kétszer (1975-ben és 1995-ben) is elnökölt a Cannes-i Filmfesztiválon, 1986-88-ban a Francia Filmművészeti Akadémia elnöke volt. 1991-ben a Becsületrend tisztjévé avatták, 1995-ben megkapta a César-díjat, a francia filmművészet legrangosabb kitüntetését, 1997-ben az Európai Filmakadémia életmű-díját, 2001-ben a Francia Művészeti Akadémia első női tagjává választották. Háromszor ment férjhez és háromszor vált el, egy gyermek édesanyja. Még a hetvenhez közel is az egyik rangos filmes magazin a száz legszexisebb filmsztár közé választotta, s Párizsban mozi viseli nevét.
