Nata a Firenze il 28 marzo 1934, nipote dello scrittore Giovanni Papini (1881-1956) - che parlò di lei bambina nel racconto breve La mia Ilaria - e del senatore del Regno d’Italia Pier Ludovico Occhini (1874-1941), figlia dello scrittore Barna Occhini (1905-1978), si diploma all’Accademia Nazionale di Arte Drammatica di Roma e all’età di diciannove anni esordisce al cinema con lo pseudonimo Isabella Redi Terza liceo (1954) di Luciano Emmer.

Brava, bella ed elegante, ha recitato fin da giovanissima con grandi registi, in teatro con Luchino Visconti, con il quale ha debuttato (1957) in L’impresario delle Smirne di Carlo Goldoni, e che la porta al successo in Uno sguardo dal ponte (1958) di Arthur Miller.

E ancora con Luca Ronconi e Giuseppe Patroni Griffi, interpretando sempre ad alto livello opere di autori diversissimi fra loro, da Ennio Flaiano a Anton Čechov, da August Strindberg a William Shakespeare, da Gabriele D’Annunzio a Luigi Pirandello.

In televisione, fin dai suoi inizi (L’Alfiere - 1956 - e Jane Eyre - 1957), diretta da Anton Giulio Majano, Ilaria Occhini è stata una incisiva presenza  in numerosi grandi sceneggiati televisivi, fra cui le miniserie Il vicario di Wakefield (1959), Graziella (1961),  La fiera delle vanità (1967), Una pistola in vendita (1970), Puccini (1972), Il commissario De Vincenzi 2 (1977), Diario di un giudice (1978), Il ’90 (1979), L’andreana (1982) e Piazza di Spagna (1992), i film tv Il serpente a sonagli (1958), Prima di cena (1963), Delitto e castigo (1963), Il gabbiano (1969), tratto dal dramma teatrale omonimo di A. Čechov, Ricorda con rabbia (1969) da John Osborne, Un uomo senza volto (1971), Ritorno (1973), Un attimo, meno ancora (1973), Adelchi (1974), Il mercante di Venezia (1979), Ipazia (1981), Piange al mattino il figlio del cuculo (1989), Contro ogni volontà (1992),  Quer pasticciaccio brutto de via Merulana (1996), da Carlo Emilio Gadda, Don Milani - Il priore di Barbiana (1997), Meglio tardi che mai (1998), fino a La ragazza americana (2011),  per arrivare poi alle serie tv più recenti,  con un episodio (2000)  di Don Matteo ed circa trenta episodi di Provaci ancora prof! (fra il 2005-2013).

Attrice dai tratti delicati e nello stesso tempo molto incisiva e versatile, ha spaziato con grande talento utilizzando differenti registri recitativi.

Al cinema, ha interpretato numerosi film, fra cui ricordiamo Il medico e lo stregone (1957) di Mario Monicelli, Sigfrido (1957) di Giacomo Gentilomo, Pia de’ Tolomei (1958) di Sergio Grieco, Cartagine in fiamme (1960) di Carmine Gallone, Il mantenuto (1961) di Ugo Tognazzi, Il tiranno di Siracusa (1962), di Curtis Bernhardt, I promessi sposi (1964) di Mario Maffei, Una giornata decisiva (1965) di Dino Risi, episodio di I complessi, Gli uomini dal passo pesante (1965) di Albert Band e Mario Sequi, L’uomo che ride (1966) di Sergio Corbucci, Un uomo a metà (1966) di Vittorio De Seta, La divorziata (1972) di Serge Korber, Due contro la città (1972) di José Giovanni, Benvenuti in casa Gori (1990) di Alessandro Benvenuti, con cui vinse il Nastro d’Argento come Miglior Attrice Non Protagonista, La Venere di Willendorf (1996) di Elisabetta Lodoli, Boom (1998) di Andrea Zaccariello, Domani (2001) di Francesca Archibugi, fino al ruolo da protagonista in Mar Nero (2008) di Federico Bondi, con cui vinse il Pardo d’Oro al Festival di Locarno ed ottenne una candidatura per il David di Donatello, Mine vaganti (2010) di Ferzan Özpetek, in cui interpretò il ruolo della madre dell’indimenticato Ennio Fantastichini (scomparso nel 2018 all’età di sessantatré anni) e con cui vinse il David di Donatello come Miglior Attrice Non Protagonista, Tutti al mare (2011) di Matteo Cerami, Una famiglia perfetta (2012) di Paolo Genovese.

Nel 2010 era stata premiata con il Nastro d’Argento alla Carriera.

Si è anche dedicata - occupandosene personalmente insieme a sua figlia Alexandra - al ripristino dei vigneti nell’antica fattoria di famiglia di origine cinquecentesca, in Toscana (nell’aretino).

«Stavamo insieme da poco e lei venne a prendermi a casa, a Napoli, alla guida della sua spider appena comprata. Rivedo ancora l’immagine, che colsi dal balcone, di quella bellissima ragazza dai capelli al vento», ricorda lo scrittore Raffaele La Capria, Premio Strega 1961 con Ferito a morte e suo marito dal 1966. «La cosa che di lei mi mancherà di più è proprio la sua bellezza che aveva a che fare con la spiritualità. La nostra è stata infatti l’intesa tra due anime, un incontro d’amore e d’intelletto».

«Prima di scritturare Ilaria avevo visto altre attrici, ma quando la incontrai scattò tra noi la scintilla, ci siamo ipnotizzati a vicenda. Sul set lei seguiva docilissima le mie indicazioni. La sua scomparsa è un enorme dolore, resto legato per tutta la vita ai miei attori», ha dichiarato Ferzan Özpetek, il quale l’aveva diretta nel già citato Mine vaganti.

Nel 2016 Ilaria Occhini aveva festeggiato i suoi sessant'anni di carriera con il libro autobiografico La bellezza quotidiana. Una vita senza trucco (Rizzoli).