Après avoir étudié l'art dramatique dans sa ville natale de Stockholm, Bibi Andersson est très vite repérée par Ingmar Bergman, qui va rapidement en faire l'une de ses muses, à l'instar de Liv Ullmann. Après lui avoir fait tourner une scène dans Sourires d'une nuit d'été, en 1955, le cinéaste la dirige notamment dans Le Septième Sceau (1956), Les Fraises sauvages (1957), Au Seuil de la vie (1958), qui lui vaut un Prix d'interprétation à Cannes, ou encore Scènes de la vie conjugale (1973). Mais c'est son rôle d'infirmière dans Persona (1966) qui fait accéder la Suédoise à la renommée internationale.
Durant sa carrière américaine, Bibi Andersson tourne notamment aux côtés de James Garner et Sidney Poitier dans le western La Bataille de la vallée du diable et incarne la femme de Steve McQueen dans Un ennemi du peuple. La comédienne scandinave figure également aux génériques de La Lettre du Kremlin de John Huston et du Quintet de Robert Altman.