Nata a Parigi nel 1932, figlia d’arte (i genitori erano entrambi attori), Nicole Françoise Florence Dreyfus - meglio nota con il suo nome d’arte Anouk Aimée - dopo studi di danza e di recitazione, esordisce al cinema a diciassette anni in Gli amanti di Verona (1949) di André Cayatte e Jacques Prévert, in un ruolo ispirato alla Giulietta di William Shakespeare.

Tre anni dopo viene diretta da Alexandre Astruc in La tenda scarlatta (1952) e, dopo il ruolo della ballerina di cabaret di Lola, donna di vita (1960) di Jacques Demy, raggiunge la fama internazionale con Federico Fellini, il quale la dirige nella parte di Maddalena in La dolce vita (1960) e in quella di Luisa in 8 ½ (1963), in cui recita con Marcello Mastroianni.

Attrice molto versatile e dotata di fascino magnetico, elegante e a volte sottilmente inquietante, è candidata all’Oscar come Miglior Attrice Protagonista per la sua superlativa performance di Anne in Un homme et une femme (Un uomo, una donna - 1966) di Claude Lelouch, in cui recita con Jean-Louis Trintignant.

Da Claude Lelouch verrà diretta nuovamente in Vivere per vivere (1967), Chissà se lo farei ancora (1977), Viva la vita (1984), Un uomo una donna, oggi (1986), Ci sono dei giorni… e delle lune (1990) ed in Uomini e donne: istruzioni per l’uso (1996).

Nonostante il grande successo di pubblico di alcuni fra i film da lei interpretati, all’interno del cosiddetto star-system, Anouk Aimée rimane una figura piuttosto “appartata” e seleziona le sue apparizioni, lavorando con registi quali Sidney Lumet (La virtù sdraiata - 1969 -, tratto dall’omonimo libro di Antonio Leonviola ed interpretato anche da Omar Sharif), Marco Bellocchio (Salto nel vuoto – 1980), Bernardo Bertolucci (La tragedia di un uomo ridicolo - 1981) e Robert Altman (Pret-à-porter – 1994).

Fra gli altri film ricordiamo La salamandra d’oro (1950) di Ronald Neame, Illusione (1952) di Harold French, Les mauvaises rencontres (1955) di Alexandre Astruc, Il viaggio (1959) di Anatole Litvak, con Yul Brynner, Deborah Kerr, Jason Robards Jr (al suo esordio cinematografico), Robert Morley, E. G. Marshall e con il piccolo Ron Howard (in uno fra i suoi primissimi film), La fossa dei disperati (1959) di George Franju, Don Giovanni ’62 (1961) di Philippe de Broca, L’imprevisto (1961) di Alberto Lattuada, Il giudizio universale (1961) di Vittorio De Sica, Sodoma e Gomorra (1962) di Robert Aldrich, con Stewart Granger, Il baro (1963) di Christian Marquand, Il terrorista (1963) di Gianfranco De Bosio, con un giovane Gian Maria Volonté, Liolà (1963) di Alessandro Blasetti, Le stagioni del nostro amore (1965) di Florestano Vancini, Una sera, un treno (1968) di André Delvaux, L’amante perduta (1969) di Jacques Demy, Rapporto a quattro (1969) di George Cukor, Il successo è la miglior vendetta (1984) di Jerzy Skolimowski, Cento e una notte (1995) di Agnès Varda, Celle que j’aime (2009) di Elie Chouraqui, Ces amours la (2010) di Claude Lelouch,  Tous les soleils (2011) di Philippe Claudel.

Nel ’95 la rivista britannica «Empire» scrive che il suo stile di recitazione è sovente quello di una «femme fatale con un’aura malinconica».

Nel 2003 riceve l’Orso d’Oro alla Carriera al Festival del Cinema di Berlino.

Ancora attiva (soprattutto a teatro) in età avanzata, in epoche più recenti viene nuovamente diretta da C. Lelouch in I migliori anni della nostra vita (2019).