Irène Jacob s'installe en Suisse avec sa famille dès l'âge de 3 ans. Elle ne revient à Paris qu'en 1984, où elle fait beaucoup de théâtre. C'est en 1987 qu'elle fait sa première apparition sur grand écran, dans Au revoir les enfants de Louis Malle, où elle incarne un professeur de piano très admiré par les collégiens. L'actrice n'a que quelques scènes et très peu de texte, mais le cinéaste Krzysztof Kieslowski la remarque déjà. Il lui apportera beaucoup.

Après un petit rôle dans La Bande des quatre de Jacques Rivette (1988), Krzysztof Kieslowski pense donc à Irène Jacob pour interpréter l'héroïne de La Double Vie de Veronique (1991). A 24 ans, elle obtient avec ce rôle un Prix d'interprétation à Cannes. Pour autant, les propositions n'affluent pas, et la comédienne s'illustre dans des films plutôt confidentiels. Kieslowski, véritable mentor, lui propose alors de donner la réplique à Jean-Louis Trintignant dans Trois couleurs - Rouge, ultime chapitre de sa trilogie Trois couleurs (débutée en Bleu et poursuivie en Blanc) qui redonne un élan à la carrière de l'actrice.

Irène Jacob semble dès lors privilégier les films anglophones et autres coproductions internationales. Elle s'essaye au thriller (US marshals, où elle joue la compagne de Wesley Snipes), chante le karaoké avec Marie Trintignant dans Les Fugueuses et poursuit en parallèle ses activités théâtrales. En 2000, elle joue aux côtés de Jean-Pierre Léaud dans L' Affaire Marcorelle puis dans Mille millièmes, fantaisie immobilière (2002). Ce dernier film lui permet de délaisser quelque peu le registre du drame et de renouer avec la comédie, qu'elle avait déjà abordée en 1998 avec Cuisine américaine.

Plus discrète dans les années 2000, la comédienne poursuit en jouant dans Nouvelle-France, La Vie intérieure de Martin Frost, La Poussière du temps ou Les Beaux Gosses. La décennie suivante, on peut la voir donner la réplique à Johnny Hallyday (Salaud, on t'aime), Nicolas Cage (La Sentinelle), Audrey Tautou (Eternité) ou encore Patrick Bruel (Villa Caprice). Côté télévision, Irène Jacob prend part à la série d'époque The Collection (2016) et campe une femme séduisante et mystérieuse entretenant une liaison avec Dominic West dans la troisième saison de The Affair (id.).

La native de Paris écrit également son premier roman en 2019, intitulé "Big Bang", qui est un récit intimiste en hommage à son père. En septembre 2021, elle succède à Bertrand Tavernier (mort en mars de la même année) à la présidence du prestigieux Institut Lumière de Lyon.