Petite fille de François Mauriac, Anne Wiazemsky est repérée par Robert Bresson à l’âge de 18 ans. C’est son amie du lycée Jean-de-La-Fontaine, Florence Delay, qui a également tourné avec le cinéaste dans Le Procès de Jeanne d’Arc, qui lui souffle son nom. Elle accomplit donc ses débuts au cinéma dans le déchirant Au hasard Balthazar qui suit le destin tragique d’un âne dont le sort se dégrade à mesure qu’il change de propriétaire.
L’année suivante, elle fait une rencontre déterminante pour sa carrière : en côtoyant Jean-Luc Godard, elle devient une égérie pour le leader de la Nouvelle Vague qui la présente à son entourage. Elle fait la connaissance de François Truffaut et de Michel Cournot. Après avoir tenu le premier rôle de La Chinoise en 1966 pour la caméra de Godard, elle épouse le cinéaste l’année suivante et restera sa femme pendant trois ans. Ensemble, ils tourneront encore huit courts et longs métrages, notamment avec le collectif Dziga Vertov lancé par le réalisateur (parmi lesquels Week-end, Le Vent d’est et Tout va bien).
Mais Anne Wiazemsky ne joue pas seulement pour Jean-Luc Godard. Elle fréquente et inspire également de grands cinéastes italiens, comme Pier Paolo Pasolini avec Théorème en 1968 ou Carmelo Bene pour Capricci en 1969. Cette même année, elle retrouve Pasolini pour un second film : Porcherie.
Les réalisateurs français aussi se l’arrachent au début des années 1970. En l’espace de deux ans, elle apparaît chez Michel Deville dans Raphaël ou le débauché et chez Pierre Granier-Deferre dans Le Train. Elle prête ses traits à George Sand pour son amie cinéaste Michèle Rosier dans George Qui ? en 1973. Quelques années plus tard, sa carrière de comédienne se porte toujours bien : on la retrouve dans L'Empreinte des géants de Robert Enrico ou dans L’Enfant secret de Philippe Garrel. Ironie du sort : trente-huit ans plus tard, le fils de ce réalisateur, Louis Garrel, sera Jean-Luc Godard dans un film inspiré par ses années de mariage avec Anne Wiazemsky.
Dans la décennie qui suit, sa carrière sur le grand écran s’essouffle. On retrouve tout de même l’actrice dans un petit rôle chez André Téchiné avec Rendez-vous (1984). Dès la fin des années 1980, elle se consacre davantage au théâtre et à sa carrière d’écrivain. Elle rédige notamment plusieurs livres dans lesquelles elle retrace ses débuts au cinéma, comme Jeune Fille (2007), Une année studieuse (2012) ou encore Un an après (2015). C’est ce récit qui inspirera à Michel Hazanavicius son film Le Redoutable, présenté au 70ème Festival de Cannes. Il est sorti dans les salles françaises le 19 septembre 2017, seulement dix-sept jours avant la mort d’Anne Wiazemsky à l’âge de 70 ans, des suites d’un cancer.