Fille de comédiens, Françoise Dreyfus n'a que 13 ans lorsque, se promenant dans la rue avec sa mère, elle se voit proposer un rôle dans La Maison sous la mer de Henri Calef sorti en 1947. Son personnage dans le film s'appelle Anouk, un prénom qu'elle conservera. Si la jeune fille poursuit un temps ses études secondaires en Angleterre, elle s'inscrit bientôt au cours de théâtre Bauer-Thérond et prend des leçons de danse.

Après son premier tournage, la comédienne est contactée par Marcel Carné pour jouer dans La Fleur de l'âge. Le projet n'aboutira pas, mais sera pour elle l'occasion d'une rencontre déterminante avec le scénariste Jacques Prévert, qui lui suggère d'adopter le nom d'"Aimée", et écrit pour elle Les Amants de Verone de Cayatte, un film à succès qui impose la jeune actrice en héroïne romantique aux côtés de Serge Reggiani en 1949.

Prêtant sa voix à La Bergère et le ramoneur, dessin animé de Grimault -écrit par l'ami Prévert-, elle tourne alors avec Duvivier (Pot-Bouille), Becker (Montparnasse 19), et dans les premiers longs-métrages de Franju (La Tete contre les murs) et Astruc (Les Mauvaises Rencontres).

En 1960, Federico Fellini offre à la comédienne un rôle de femme riche et désoeuvrée dans La Dolce Vita. Anouk Aimée confiera que c'est au contact du maestro, qui la dirigera à nouveau trois ans plus tard dans Huit et demi, qu'elle commence à prendre au sérieux son métier d'actrice.

Au cours de la riche décennie qui suit, elle papillonne avec grâce dans Lola de Demy et tourne aux côtés de Jean-Louis Trintignant le triomphal Un homme et une femme de Lelouch, qui lui vaut en 1967 le Golden Globe de la Meilleure actrice - ces deux films marquants donneront lieu à des suites, Model Shop et Un homme et une femme : vingt ans déjà.

S'installant quelques années en Italie, elle y tourne avec Lattuada, Bertolucci et Bellocchio : soeur de Piccoli dans Le Saut dans le vide, elle obtient, comme son partenaire, le Prix d'interprétation à Cannes en 1980.

Par la suite, Anouk Aimée se fait moins présente sur les écrans français, si on excepte ses fréquentes retrouvailles avec Lelouch (Viva la vie, 1983, Hommes, femmes : mode d'emploi, 1996, Une pour toutes, 1999, ...) et ses rôles dans les films d'Elie Chouraqui (Qu'est-ce qui fait courir David ?, 1981, Les Marmottes, 1993, ...).

En 2003, elle sera cependant l'héroïne de La Petite prairie aux bouleaux, oeuvre singulière sur le souvenir de la déportation. Loin de toute stratégie, Anouk Aimée, qui a toujours été une comédienne voyageuse, travaille ainsi de part le monde avec le Belge Andre Delvaux (Un soir un train, 1968), le Polonais Jerzy Skolimowski et les Américains Cukor (Justine, 1969), Lumet (Le Rendez-vous, id.) et Altman (Prêt-à-porter en 1994).

Incarnation d'un glamour à l'européenne, l'actrice reçoit en 2002 un César d'honneur, et l'année suivante un Ours d'or à Berlin, pour l'ensemble de sa carrière.

De retour au cinéma français au début des années 2000, Anouk Aimée joue la mère d'Yvan Attal dans sa comédie Ils se marièrent et eurent beaucoup d'enfants (2004). A l'affiche de la comédie dramatique De particulier à particulier en 2006, elle retrouve trois ans plus tard les plateaux de Claude Lelouch, à l'occasion de son film-fresque, Ces amours-là.

L'année d'après, l'actrice se glisse dans la peau d'une malade en soins palliatifs, pour les besoins de la comédie de Philippe Claudel, Tous les soleils. En 2019, elle retrouve Claude Lelouch pour Les Plus belles années d'une vie, la suite d'Un homme et une femme.