Nata a Tokyo nel 1938, già giovanissima attrice di teatro ad Oslo, esordisce al cinema nel 1957 e, nei successivi sette/otto anni, interpreta ruoli secondari in modesti film norvegesi.

Negli anni Sessanta conosce il grande Ingmar Bergman (1918-2007) e diviene sua interprete di punta. L’intensità espressiva nel muto ermetismo di Persona (1966) le apre le porte ad una serie di ruoli tormentati, fra visioni demoniache (L’ora del lupo, 1968), fantasmi della guerra (La vergogna, 1969) ed inferno del quotidiano (Passione, 1969).

Interrotto temporaneamente il rapporto con Bergman, è protagonista del fortunato dittico in costume di Jan Troell, (Karl e Cristina - 1971 - e La nuova terra - 1972) e ritrova il regista negli Stati Uniti (Una donna chiamata moglie - 1974), dove l’anno avanti aveva esordito ne La signora a 40 carati (1973) di Milton Katselas.

Tornata nella “squadra” del regista svedese, è protagonista della disperata odissea (Sussurri e grida - 1973), e nel ritratto di una straziante infelicità al femminile (L’immagine allo specchio - 1976).

Distaccata - sia pur bravissima - ne L’uovo del serpente (1977), girato in Germania, ed in Sinfonia d’autunno (1978), in Italia brilla sia nel dramma (Mosca addio - 1986 - di Mauro Bolognini) sia nella commedia grottesca (Speriamo che sia femmina - 1986 - di Mario Monicelli).

Dopo aver esordito alla regia (l’episodio Parting in Love - 1982 - di Annette Cohen, Nancy Dawd e Mai Zettelring), arriva al lungometraggio con Sofie (1992) ed al successo internazionale con Conversazioni private (1996), scritto da Ingmar Bergman come seguito ideale di Con le migliori intenzioni (1991) di Billie August, ma contraddistinto da una personale sensibilità di regia. L’infedele (2000) vede una definitiva maturazione stilistica per un’altra sceneggiatura bergmaniana, tratta da un testo di August Strindberg.

Fra gli altri film ricordiamo An-Madrid (1969) di Arne Skouen, L’assassino arriva sempre alle 22 (1970) di Laszlo Benedek, La papessa Giovanna (1972) di Michael Anderson, Orizzonte perduto (1973) di Charles Jarrott, La rinuncia (1974) di Anthony Harvey, Quell’ultimo ponte (1977) di Richard Attenborough, Mosse pericolose (1984) di Richard Dembo, Il ragazzo della baia (1984) di Daniel Petrie, Gaby - Una storia vera (1987) di Luis Mandoki, Il bue (1991) di Sven Nyvist, Dromspel (1994) di Unni Straume, Zwei Leben (2012) di Georg Maas e Judith Kaufmann.

Fra le altre regie, Kristin Lavransdatter (1995), Lumière et compagnie (1995) e Miss Julie (2014).

In televisione è apparsa nella miniserie Gli indifferenti (1988) di Mauro Bolognini, tratta dal libro omonimo di Alberto Moravia, e nel film tv Sarabanda (2003) di Ingmar Bergman (alla sua ultima regia).