Nata a Chiliomodi - in Grecia, nella zona di Corinto - nel settembre 1926, Irene Lelekou - meglio nota come Irene Papas - frequenta la Scuola d’Arte Drammatica di Atene e debutta molto giovane come ballerina e cantante nel varietà, per poi passare a dedicarsi al teatro classico.

Esordisce al cinema in La città morta (1952) di Frixos Iliadis, premiato al Festival di Cannes. Lavora anche negli Stati Uniti, dove recita nel western La legge del capestro (1956) Robert Wise,  con James Cagney.

Tuttavia, il suo maggior successo lo otterrà nuovamente in Grecia, in Elettra (1960) di Michael Cacoyannis, che rilancerà la sua carriera hollywoodiana permettendole di partecipare a produzioni come il celebre I cannoni di Navarone (1961) di Jack Lee Thompson, con Gregory Peck, David Niven, Anthony Quinn, Anthony Quayle, Gia Scala, Stanley Baker, James Darren ed un giovane Richard Harris a inizio carriera, e Zorba il greco (1964) di Michael Cacoyannis, nuovamente con A. Quinn.

In Europa è protagonista nel thriller politico Z - L'orgia del potere (1969) di Costa-Gavras, con Yves Montand e Jean-Louis Trintignant, Le troiane (1971) di Michael Cacoyannis, con Katharine Hepburn, ispirata all’omonima tragedia di Euripide, La quinta offensiva (1973) di Stipe Delic.

Molto attiva anche in Italia, la ricordiamo nel ruolo dell’ambigua vedova Roscio in A ciascuno il suo (1967) di Elio Petri, tratto dal libro omonimo di Leonardo Sciascia ed interpretato anche da Gian Maria Volonté, Gabriele Ferzetti, Salvo Randone e Mario Scaccia, di Penelope nello sceneggiato televisivo Odissea (1968) di Franco Rossi, con Bekim Fehmiu, Renaud Verley e Karl Otto Alberty, di Sefora nello sceneggiato Mosè, la legge del deserto (1974), con Burt Lancaster e Ingrid Thulin,  Roma bene (1971) di Carlo Lizzani, con Nino Manfredi e Virna Lisi,  Non si sevizia un paperino (1972) di Lucio Fulci, Le farò da padre (1974) di Alberto Lattuada, con Gigi Proietti, Cristo si è fermato a Eboli (1979) di Francesco Rosi, tratto dal libro omonimo di Carlo Levi ed in cui recita nuovamente con Gian Maria Volonté, Il disertore (1983) di Giuliana Berlinguer, Cronaca di una morte annunciata (1987) di Francesco Rosi, tratto dal romanzo omonimo di Gabriel Garcia Marquez, di nuovo con G. M. Volonté.

Fra gli altri film, Antigoni (1961) di Yorgos Javellas, tratto dall’omonima tragedia di Sofocle, Giallo a Creta (1964) di James Neilsen, con Eli Wallach e Hayley Mills, La fratellanza (1968) di Martin Ritt, con Kirk Douglas, Anna dei mille giorni (1969) di Charles Jarrott, con Richard Burton e Anthony Quayle, Il messaggio (1977) di Moustapha Akkad, con Anthony Quinn, Ifigenia (1977) di Michael Cacoyannis,  Il leone del deserto (1981) di M. Akkad, con A. Quinn, Rod Steiger e Oliver Reed, Assisi Underground (1985) di Alexander Ramati, con James Mason e Maximilian Schell, Tutto in una notte (1985) di John Landis, con Michelle Pfeiffer e Jeff Golblum, Island (1989) di Paul Cox.

Nel ’72 partecipa all'album 666, della celebre band greca Aphrodite’s Child (formata da Vangelis, Demis Roussos e Loukas Sideras). In seguito registrerà gli album Odes (1979) e Rapsodies (1986) con Vangelis, ex tastierista della band, il quale nel frattempo, in seguito allo scioglimento degli Aphrodite’s Child, aveva intrapreso la carriera di solista (così come Demis Roussos, ex voce della band).

Nel 1987 presiede la giuria della Mostra Internazionale d’Arte Cinematografica di Venezia. Due anni dopo interpreta I giganti della montagna (1989) di mauro Bolognini, tratto da Luigi Pirandello ed in cui interpreta il tragico ruolo della Contessa.

A partire dagli anni Novanta appare in altri film, fra cui Party (1996), e Inquietudine (1998), entrambi diretti dal regista portoghese Manoel de Oliveira, Yerma (1998) di Pilar Távora, Il mandolino del capitano Corelli (2001) di John Madden, con Nicolas Cage e Penelope Cruz, Un film parlato (2003) di M. de Oliveira, con John Malkovich e Catherine Deneuve.

Nel ’93 le viene assegnato il Premio Flaiano alla Carriera per la Sezione Teatro. A partire dal 2006 è stata attiva soprattutto in teatro, come interprete delle maggiori tragedie greche classiche. 

Nel 2009, riceve il Leone d’Oro alla Carriera. Negli ultimi anni si era ritirata a vita privata.