De madre británica y padre francés, Moreau se formó en el Conservatorio Nacional Superior de Arte Dramático de París, convirtiéndose en el miembro más joven jamás admitido en la Comedia Francesa, con apenas veinte años.
Aunque su debut en la gran pantalla tuvo lugar en 1949 con la cinta Dernier amour, fue en 1958 cuando el rostro de Moreau se grabó en las retinas de los espectadores con Ascensor para el cadalso, primera película dirigida en solitario por Louis Malle, con quien repetiría en Los amantes, El fuego fatuo y ¡Viva María!.
Tras un breve papel en Los cuatrocientos golpes y protagonizar Las relaciones peligrosas y La noche, en 1962 llegó el que se convertiría en su papel más celebrado y recordado, el de Catherine en Jules y Jim, de François Truffaut.
Catapultada a la fama mundial, Moreau se labró una carrera de 66 años en la que trabajó en títulos como Diario de una camarera, de Luis Buñuel; Querelle, de Rainer Werner Fassbinder; Nikita, dura de matar, de Luc Besson; El amante, de Jean-Jacques Annaud; Ese amor, donde encarnó a su amiga la escritora Marguerite Duras; Un día lo comprenderás, de Amos Gitai, y El tiempo que queda, de François Ozon.
Sus últimos trabajos en la gran pantalla fueron Una dama en París [1], de Ilmar Raag; Gebo et l’ombre, de Manoel de Oliveira, y Le talent de mes amis, de Alex Lutz.
A lo largo de su prolífica carrera ganó dos Baftas, un Oso de Oro Honorífico del Festival de Berlín, dos Palmas de Oro del Festival de Cannes, tres Premios César, un León de Oro Honorífico del Festival de Venecia y el Premio Donostia del Festival de San Sebastián, entre otros muchos galardones.
Además, Moreau desarrolló una carrera paralela como cantante, lanzando al mercado álbumes como Les chansons de Clarisse, Jeanne chante Jeanne, Chante Norge y Le Condamné à mort.
Musa de Louis Malle, François Truffaut, Michelangelo Antonioni, Luis Buñuel, Jacques Demy, Roger Vadim, Elia Kazan, Orson Welles, Peter Brook, Wim Wenders y François Ozon, el rostro de Jeanne será siempre eterno gracias a la magia del cine.