Fille de la comédienne Judy Campbell et d'un Commandant de la Royal Navy, Jane Birkin fait ses premiers pas au théâtre à 17 ans dans une pièce de Graham Greene, puis dans une comédie musicale, Passion flower hotel, sur laquelle elle rencontre son premier compagnon, le compositeur John Barry. Elle apparaît à l'écran en 1965, aux côtés de deux autres débutantes, Charlotte Rampling et Jacqueline Bisset, dans un film-phare du Swingin' London, Le Knack... ou comment l'avoir, Palme d'Or à Cannes. Une récompense qu'obtiendra également son film suivant, Blow-up d'Antonioni, dans lequel elle fait scandale en apparaissant nue.
Arrivée en France en 1968, Jane Birkin passe avec succès les essais du film Slogan. Elle y a pour partenaire celui qui deviendra son Pygmalion et avec qui elle formera l'un des couples les plus populaires de la France des années 70, Serge Gainsbourg, qui lui permettra de mener parallèlement une carrière de chanteuse. Le public est vite séduit par l'Anglaise ingénue qui promène sa fantaisie et son accent dans des comédies à succès comme La Moutarde me monte au nez de Zidi. En 1975, elle trouve des rôles plus complexes dans Sept morts sur ordonnance et Je t'aime, moi non plus, l'audacieux premier film de Gainsbourg, qui déconcerte les spectateurs.
En 1980, Birkin, séparée de l'Homme à tête de chou, vit avec Jacques Doillon, qui la fait tourner dans trois films — dont La Pirate, oeuvre âpre qui remue la Croisette en 1984 — et lui ouvre les portes du cinéma d'auteur. "Soudain, il fallait que je donne tout de moi alors que, jusque là, personne ne m'avait demandé de tout donner", confie-t-elle en 1992 aux Inrockuptibles. Des cinéastes aussi exigeants que Rivette (L'Amour par terre, La Belle Noiseuse), Varda (Jane B. par Agnès V. / Kung Fu Master), ou Tavernier (Daddy Nostalgie), révèlent une comédienne émouvante et inventive. Les années 80, riche décennie, la voient affronter la scène, à la fois au théâtre et en concert.
Entre français et anglais, chansons et films, cinéma populaire et oeuvres radicales, Jane Birkin occupe une place à part dans le paysage culturel, mais à partir des années 90, elle se fait plus rare sur les écrans. On retiendra cependant Noir comme le souvenir de Mocky, et une participation à On connaît la chanson. Dans les années 2000, elle renoue avec le registre burlesque de ses débuts à travers les comédies Reines d'un jour, Mariées mais pas trop ou Thelma, Louise et Chantal. En 2009, Jacques Rivette, cinéaste fidèle à ses actrices, lui offre un beau rôle de femme mélancolique et mystérieuse dans 36 vues du Pic Saint-Loup. Quatre ans plus tard, elle fait une incursion dans l'univers mélancolique et intimiste de Hong Sang-Soo, cinéaste sud-coréen souvent comparé à Rohmer, dans Haewon et les hommes.
Passée derrière la caméra dès le début des années 90 avec deux courts métrages et le téléfilm Oh pardon ! tu dormais... , elle réalise en 2007 Boxes, long métrage aux accents autobiographiques présenté au Festival de Cannes. Elle continue de s'illustrer dans la chanson à la fin des années 2010 avec notamment Birkin/Gainsbourg : le symphonique, où elle reprend les chansons de son ancien compagnon, et Oh ! Pardon tu dormais…, en collaboration avec Étienne Daho.
Après avoir été victime d'un léger accident vasculaire cérébral en septembre 2021, elle est contrainte de repousser ses concerts pour 2022. Mais ses ennuis de santé persistent et la contraignent à annuler ses représentations scéniques. Néanmoins, alors qu'elle était absente du grand écran depuis de nombreuses années, elle revient au cinéma, qui plus est devant la caméra de sa fille, dans le documentaire Jane par Charlotte, qui pose un regard intime et pudique sur l'amour filial.
Le 16 juillet 2023, Jane Birkin est retrouvée sans vie à son domicile. Ses deux filles, Lou Doillon et Charlotte Gainsbourg, lui rendent hommage dans un communiqué où elles saluent sa "bataille acharnée contre la maladie". L'artiste avait 76 ans.