Fanny Ardant, fille d'un officier de cavalerie, passe son enfance à voyager en Europe. Étudiante à Science-Po dans la section relations Internationales, elle décide assez tardivement de devenir actrice afin d'assouvir sa passion du théâtre. Elle fait des tournées dès 1974 où elle joue les grands textes (Racine, Montherlant, Claudel). Elle fait aussi sa première apparition au cinéma dans Marie-poupée de Joël Seria, mais ce n'est qu'en 1979 que le public la découvre, grâce à la série télévisée Les dames de la côte de Nina Companeez.
François Truffaut, tombé sous le charme de cette brune mystérieuse, lui offre alors ses premiers rôles de taille au cinéma dans le drame amoureux de La Femme d'à côté en 1981, puis dans Vivement dimanche !, où elle interprète avec fantaisie une secrétaire qui mène l'enquête sur les supposés crimes que commet son patron. Mariée à Truffaut de 1981 à 1984, elle met au monde une fille, Joséphine, conçue quelques mois avant la mort du réalisateur.
Elle choisit par la suite des films d'auteur qui la conduisent à se marginaliser quelque peu. Elle interprète le rôle d'une pianiste pour Andre Delvaux (Benvenuta) et devient la duchesse de Guermantes dans Un amour de Swann de Volker Schlöndorff. Après l'avoir déjà sollicitée en 1983 pour La Vie est un roman, Alain Resnais fait de nouveau appel à elle pour L' Amour a mort (1985), puis Melo (1987), dans un registre particulièrement dramatique. Elle passe aussi devant la caméra d'Ettore Scola dans La Famille (1988) et de Costa-Gavras dans Conseil de famille. Elle infléchit alors son image habituelle de femme passionnée et volontaire en incarnant une séductrice indolente dans le magistral et déroutant Paltoquet de Michel Deville.
Le début des années 90 marque le renouveau d'une carrière cantonnée à un cinéma un peu confidentiel. Douze ans après La femme d'à côté, elle retrouve son partenaire de jeu Gérard Depardieu pour Le Colonel Chabert d'Yves Angelo. Mais ce n'est qu'en 1995, avec Pédale douce, qu'elle triomphe enfin. Dans la peau d'Eva, tenancière de boîte gay drôle et émouvante, elle décroche enfin un César après plusieurs nominations, et prouve définitivement l'étendue de son champ d'interprétation.
Forte de ce succès, elle alterne des films historiques tels que Ridicule de Patrice Leconte ou Elizabeth avec Cate Blanchett, et des comédies où elle incarne tour à tour une femme confrontée aux problèmes d'érection de son mari dans La Debandade(1999) de Claude Berri, une cantatrice perdue au milieu de la jungle dans Le Fils du Francais (1999) de Gérard Lauzier, son propre rôle dans Augustin roi du kung-fu, et une duchesse plutôt dévergondée dans Le Libertin (2000). En 2002, elle est l'une des 8 femmes de François Ozon, puis elle prête sa voix grave et profonde à la diva Maria Callas dans Callas forever.
Elle change encore de registre et s’associe à Emmanuelle Béart dans le sulfureux Nathalie… d’Anne Fontaine. Fanny Ardant enchaîne ensuite les projets à l’étranger sous la direction de réalisateurs espagnols (Agustín Díaz Yanes en 2003 aux côtés de Victoria Abril et Penélope Cruz), italiens (L’heure de pointe de Vincenzo Marra en 2007) ou israélien (Les secrets d’Avi Nesher).
En 2007, l’actrice est à nouveau dirigée par Claude Lelouche dans Roman de gare, plus de vingt-cinq ans après leur collaboration pour Les Uns et les autres. L’année suivante, elle forme pour la troisième fois un couple avec Gérard Depardieu dans Hello Goodbye et interprète une psy dans la comédie Trésor. L’occasion de retrouver Claude Berri, qui décède une semaine après le début du tournage.
2008 est l’occasion pour l'actrice de réaliser son premier long métrage Cendres et sang, projeté lors d’une séance spéciale à Cannes. Elle monte également les marches pour Visage du Malaisien Tsai Ming-liang.
Après l’avoir fait jouer le rôle de l’impératrice Alexandra de Russie dans le biopic Raspoutine, Josée Dayan lui permet de faire son retour à la télévision avec Nos retrouvailles. Un an plus tard, en 2013, l'actrice est à l’affiche du Clan des Lanzac, la nouvelle série de France 3. Fanny Ardant est aussi l'héroïne des Beaux Jours, adaptation du roman de Fanny Chesnel, "La jeune fille aux cheveux blancs".
En 2017, Fanny se glisse dans la peau d'un personnage transgenre dans Lola Pater. Un an après, la comédienne incarne Nina dans Ma mère est folle, road movie aux côtés de Vianney. Très active, elle poursuit avec l'émouvant La Belle époque de Nicolas Bedos, le loufoque Perdrix d'Erwan Le Duc, le drame familial ADN de Maïwenn, la romance impossible Les Jeunes amants de Carine Tardieu, le portrait d'un acteur Les Volets verts de Jean Becker et le film historique Couleurs de l’incendie de Clovis Cornillac.