Filha de pai argelino e mãe alemã, foi estimulada a atuar desde jovem, atuando no teatro amador já aos doze anos de idade. Apareceu no seu primeiro filme aos 14 anos.
Após atuar em papéis secundários , foi sucesso de público e crítica pela sua atuação no filme La Gifle (O Tapa), de 1974. No ano seguinte, conseguiu seu primeiro papel principal em A História de Adele H, de François Truffaut, em que faz o papel da filha do escritor Victor Hugo. Por este filme, alcançou sucesso internacional, concorreu ao Oscar de melhor atriz e recebeu propostas para trabalhar em Hollywood.
Em 1981, Adjani recebeu o prêmio de melhor atriz do Festival de Cannes por sua atuação em Quarteto. No ano seguinte, recebeu o César por Possessão, em atuação considerada pelos críticos a melhor de sua carreira, senão a mais difícil, porque Adjani interpretava o papel de uma mulher frustrada que enlouquecia aos poucos. Em 1983, recebeu novamente o César por Ronda Mortal.
Em 1989, co-produziu e estrelou Camille Claudel, a trágica história da mulher do escultor francês Auguste Rodin, que lhe valeu o terceiro César e mais uma indicação ao Oscar de melhor atriz. O filme também concorreu ao Oscar de melhor filme estrangeiro. No mesmo ano, a revista americana People incluiu-a entre as 50 mulheres mais bonitas do mundo. A partir daí, trabalhou esporadicamente como modelo.
Em 1994, conseguiu seu quarto César pelo papel-título de Rainha Margot, um feito nunca antes conseguido por um ator francês.
Adjani tem dois filhos, Barnabé, de seu casamento com Bruno Nuytten, e Gabriel-Kane, de sua tempestuosa relação com o ator britânico Daniel Day-Lewis. Quando Gabriel-Kane nasceu, ela já havia terminado havia alguns meses seu casamento de cinco anos com Day-Lewis. Esteve também envolvida com o compositor Jean Michel Jarre.
Recebeu 2 indicações ao Oscar de Melhor Atriz, por "A História de Adéle H." (1975) e "Camille Claudel" (1989).
7 indicações ao Cesar de Melhor Atriz, por "A História de Adèle H." (1975), "Barocco" (1976), "Possessão" (1981), "L'Été Meurthier" (1983), "Subway" (1985), "Camille Claudel" (1988) e "A Rainha Margot" (1994). Venceu por "Possessão", "L'Été Meurthier", "Camille Claudel" e "A Rainha Margot".
Prêmio de Melhor Atriz no Festival de Cannes, por "Quartet" (1981).
Urso de Prata de Melhor Atriz no Festival de Berlim, por "Camille Claudel" (1988).
Melhor Atriz no Festival de Cartagena, por "A História de Adèle H." (1975