Fille du philosophe Etienne Balibar et de la physicienne Françoise Balibar, Jeanne Balibar développe três tôt un goût pour les différentes formes d'expressions artistiques, entre les sorties au cinéma et à l'opéra avec ses parents, sa découverte de la littérature et sa pratique intensive de la danse. Après de brillantes études (hypokhâgne, khâgne, Normale Sup), elle s'oriente vers la comédie, poussant la porte du Cours Florent puis celle du Conservatoire. Remarquée à Avignon dans le Don Juan monté par Lassalle en 1993, elle rejoint cette même année la Comédie-Française, qu'elle quittera en 1997.
Après une première apparition au cinéma (non créditée) dans La Sentinelle en 1992, Jeanne Balibar trouve son premier rôle important, celui d'une amoureuse fantasque, dans le film suivant d'Arnaud Desplechin, Comment je me suis disputé... en 1996. La comédienne est nommée grâce à ce film au César du meilleur espoir féminin. Elle accède à la notoriété en 1997, campant un médecin tiraillé entre deux patients, l'un hypocondriaque, l'autre séropositif dans J'ai horreur de l'amour de Laurence Ferreira Barbosa. L'actrice recevra une seconde nomination au César du meilleur espoir féminin avec ce rôle.
Egérie du cinéma d'auteur, Jeanne déambule en 1998 dans Fin août, début septembre d'Olivier Assayas (qu'elle retrouvera en 2003 pour Clean) et en 1999 dans Trois Ponts sur la rivière, deux films qui la voient donner la réplique à Mathieu Amalric, acteur-réalisateur qui partage alors sa vie, et la dirige dans Mange ta soupe et Le Stade de Wimbledon.
Le mystère qui se dégage de cette actrice exigeante, à la voix singulière, n'exclut cependant pas la légèreté ni l'humour, comme en témoignent ses prestations dans Dieu seul me voit (1998) de Bruno Podalydès et Ca ira mieux demain... de Jeanne Labrune (2000), pour lequel elle glane une nomination au César du meilleur second rôle féminin. Vue chez Benoît Jacquot et Christophe Honoré, mais aussi Guillaume Nicloux, et même Winterbottom, Jeanne Balibar évolue avec grâce dans le cinéma cérébral et ludique de Raoul Ruiz (La Comédie de l'innocence, 2000) et surtout Jacques Rivette.
Le maître de la Nouvelle Vague offre à celle qui continue de brûler les planches le rôle d'une comédienne de théâtre dans Va savoir (2001) et celui de la Duchesse de Langeais dans Ne touchez pas la hache(2007) d'après Balzac. Amante extravagante de Sagan dans le biopic de Diane Kurys, elle joue avec son image d'intellectuelle dans Le Bal des actrices (2009). À noter que Balibar reçoit une 4ème nomination au César avec son rôle dans Sagan, celui du meilleur second rôle féminin.
En 2012, Jeanne signe la réalisation de son premier long-métrage, Par exemple, Electre, une comédie dramatique récompensée par une mention spéciale durant la cérémonie de remise des Prix Jean Vigo. L'actrice a toujours refusé des propositions de rôles dans des films populaires, préférant garder une carrière placée sous le signe du cinéma d'auteur. C'est dans cet optique qu'elle retrouve Benoït Jacquot en 2016 pour À jamais. L'année 2017 marque ses retrouvailles avec Mathieu Amalric. Ce dernier la dirige dans Barbara, un biopic romancé consacré à la célèbre chanteuse. Le film remporte le Prix de la poésie du cinéma dans la section Un Certain Regard du Festival et le Prix Jean Vigo.