Ayant vécu au Japon avec ses parents d'origine anglaise Joan Fontaine arrive aux Etats-Unis vers l'âge de deux ans en compagnie de sa grande soeur Olivia de Havilland. D'une santé fragile, Joan se révèle pourtant d'une exceptionnelle intelligence, atteignant un score de 160 lors d'un test de QI passé à trois ans. Les débuts de carrière des deux jeunes filles sont d'une troublante similarité. Toutes deux étudient en Californie dans un couvent catholique. Tout comme sa soeur Joan débute sur les planches. Mais dans un premier temps c'est Olivia qui rencontre le plus de succès, décidant Joan à ne plus utiliser le même nom de famille. Après avoir joué au théâtre dans Une journée de printemps, Joan trouve son premier rôle au cinéma pour la MGM en 1935 dans No more ladies sous le nom de Joan Burfield. Née Joan de Beauvoir de Havilland, elle adopte définitivement le nom de Joan Fontaine lorsqu'elle rejoint la RKO pour qui elle tourne Une demoiselle en detresse(1937) de George Stevens, son premier vrai succès.

Pendant quelque temps elle joue les utilités dans des films mineurs du studio. C'est en 1940 que sa carrière décolle vraiment lorsque le producteur David O. Selznick et le metteur en scène Alfred Hitchcock la choisissent après six mois d'essais pour interpréter le rôle principal de Rebecca, pour lequel elle sera nominée à l'Oscar. C'est un an plus tard et toujours chez Alfred Hitchcock qu'elle remporte finalement la statuette avec Soupçons, film dans lequel Cary Grant traumatisera une génération entière de buveurs de lait. Il est à noter qu'elle est la seule parmi tous les interprètes d'Alfred Hitchcock à avoir remporté cette récompense pour un film du cinéaste.

Au fait de sa popularité, Joan Fontaine choisit méticuleusement les projets et les metteurs en scène avec qui elle travaille. Si on la voit à l'affiche de mélodrames et adaptations de classiques de la littérature (Jane Eyre en 1944, Ivanhoe en 1952), elle précise aussi ses collaborations. On peut ainsi la retrouver chez des cinéastes aussi divers que Billy Wilder (La Valse de l'empereur, 1947)ou Max Ophüls (Lettre d'une inconnue, 1948). Autant sa soeur Olivia de Havilland refusera en 1951 le rôle principal d' Un tramway nommé désir en le jugeant immoral, autant Joan décide de plus en plus de briser cette image de jeune femme sage et rêveuse à laquelle elle était réduite à ses débuts. Des apparitions remarquables s'enchaînent, notamment dans un des premiers films de Nicholas Ray ( Born to be Bad, 1950) ou dans un des derniers de Fritz Lang (L' Invraisemblable vérité , 1956).

Ayant visiblement laissé les rôles de jeune fille naïve loin derrière elle, c'est dans un film d'horreur produit par la Hammer, Les Sorcières (1966), que Joan Fontaine fait pour la dernière fois son apparition au cinéma. En 1978 elle publie une autobiographie intitulée No bed of roses. Etant une des dernières stars du fameux Age d'or des studios hollywoodiens, Joan Fontaine se consacre désormais au théâtre et à l'écriture.