Joanne Woodward serait presque venue au monde dans une salle de cinéma au cours d'un film de Joan Crawford, actrice américaine dont elle tient son nom. Emportée par l'enthousiasme de sa mère pour le cinéma, Joanne Woodward décide d'en faire sa profession. Elle débute à la télévision dans un épisode de Alfred Hitchcock Présente et joue dans le même temps au théâtre. A Broadway, elle rencontre son futur mari Paul Newman (encore inconnu à l'époque) avec qui elle aura trois filles.
Paul Newman, une fois sa carrière lançée, réalise trois film où Joanne tient le premier rôle. Rachel, Rachel en 1968 où elle incarne une institutrice vivant sous l'emprise de sa mère et qui espère trouver la liberté grâce à un ami d'enfance de passage dans la ville. Quatre ans plus tard, son mari la dirige à nouveau dans De l'influence des rayons gamma sur le comportement des marguerites, un drame adapté d'une pièce de théâtre. Elle y est Béatrice, une veuve excentrique, mère de famille, à la recherche de l'amour. Nouvelle collaboration, nouveau succès critique. Joanne Woodward obtient la Palme d'Or de la meilleure actrice au Festival de Cannes de 1973. Leur dernière collaboration (en tant que réalisateur/actrice), en 1987, fut encore l'adaptation d'une pièce de théâtre celle de La Menagerie de verre de Tennessee Williams. Elle y incarne toujours une figure maternelle.
Avant la réalisation de leurs projets communs, Joanne Woodward voit sa carrière décoller en 1955 en même temps que celle de son mari avec Count Three and Pray, un western de George Sherman. Elle enchaîne ensuite les drames et les thrillers comme Les Trois visages d'Eve (1957) où elle incarne une femme possédant trois personnalités distinctes et remporte pour sa prestation l'Oscar de la meilleure actrice. Puis elle retrouve Paul Newman en 1958 dans Les Feux de l'été de Martin Ritt et La Brune brulante une comédie de Leo McCarey. Le trio Ritt/Newman/Woodward sera à nouveau réunit en 1961 pour Paris Blues, une comédie dramatique sur fond de musique jazz où l'on retrouve Sidney Poitier, Louis Armstrong et Serge Reggiani.
Fidèle à ses collaborateurs, Joanne Woodward tournera un troisième film sous la direction de Martin Ritt, Le Bruit et la fureur (1959) aux côtés de Yul Brynner. De grands réalisateurs complètent son parcours filmographique dont Sidney Lumet pour L'Homme à la peau de serpent avec Marlon Brando et Anna Magnani, James Ivory pour Mr and Mrs Bridge (qui constitue la douzième collaboration entre Joanne Woodward et Paul Newman), et Martin Scorsese qui fait d'elle la narratrice du Temps de l'innocence. Par ailleurs, elle fut la première artiste à se voir décerner une étoile sur le Walk Of Fame à Hollywood. Sa dernière apparition date de 2005 à l'occasion du téléfilm Empire Falls qui relate le quotidien d'une petite ville américaine et de l'un de ses habitants, un père de famille déboussolé (Ed Harris). Joanne Woodward y rejoint des acteurs confirmés: Philip Seymour Hoffman, Helen Hunt et.... Paul Newman.