Miou-Miou fait ses classes au café-théâtre. En 1969, elle fonde le Café de la Gare avec Coluche, Patrick Dewaere et Romain Bouteille. Coluche la surnomme Miou-Miou pour sa nonchalance et son petit visage de femme enfant. De son apprentissage au café-théâtre, elle garde la spontanéité ainsi qu'une dose de désinvolture.
Miou-Miou fait ses premiers pas en délinquante dans La Cavale (1971) de Michel Mitrani. En 1973, Les Valseuses de Bertrand Blier la dévoilent au grand public. Le rôle de jeune insolente qu'elle y interprète lui reste attaché pendant plusieurs années. Elle décide de ne pas s'enfermer dans des rôles de femme enfant et prouve dans La Marche triomphale (1975) de Marco Bellochio qu'elle peut aussi jouer les femmes mûres, conscientes de leur pouvoir de séduction. Elle incarne mieux que quiconque une certaine désilvolture et une liberté propres aux années 70 comme dans Lily aime-moi (Maurice Dugowson, 1974) avec des incursions réussies dans un registre plus grave : Dites-lui que je l'aime (Claude Miller, 1977), La dérobade (Daniel Duval, 1979) ou encore Josépha (Christopher Frank, 1981). Elle est la Femme Flic d'Yves Boisset (1979), puis une artiste libérée dans Coup de foudre de Diane Kurys (1982). Pour le rôle de Blanche dans Blanche et Marie (1984) de Jacques Renard, elle avoue s'être "complètement fondue avec elle". Durant les années 80, elle retrouve le registre de la pure comédie avec notamment Est-ce bien raisonnable ? (1980) de Georges Lautner, où elle laisse éclater sa bonne humeur et ses fous rires communicatifs. Elle le retrouve dans Attention, une femme peut en cacher une autre (1983) et joue dans Le Vol du Sphinx (Laurent Ferrier, 1984) aux cotés d'Alain Souchon. Elle réaffirme son franc-parler dans Tenue de soirée (1986) de Blier. Elle y trouve sa place au côté de Depardieu et de Michel Blanc en osant des dialogues inouïs, dans des situations cocasses. En 1988, Deville réalise La Lectrice, écrit spécialement pour elle : elle y joue une insouciante sensuelle et libre, dont la voix distille les phrases avec délicatesse. Elle se transforme en bourgeoise de province en plein Mai 68 dans Milou en mai (1989) de Louis Malle. Sa composition est jubilatoire, et elle enchaîne avec deux autres comédies, La Totale ! (C. Zidi, 1991) et Le Bal des casse-pieds (Yves Robert, id.). Son répertoire s'étend encore avec son interprétation d'une ouvrière dans le Germinal de Claude Berri (1992), et elle donne la réplique à Daniel Auteuil dans Le Huitième Jour de Jaco Van Dormael (1995) puis à Charles Berling et Stanislas Merhar dans le corrosif Nettoyage à sec (1997) d'Anne Fontaine. Actrice nature, sans aucune sophistication et populaire par excellence, elle poursuit une carrière variée et prolifique avec notamment Mariages ! (V. Guignabodet, 2003). En 2008, elle est à l'affiche du Grand alibi de Pascal Bonitzer, dans lequel elle retrouve avec bonheur un rôle de bourgeoise savoureux. La jeune fille délurée s'est métamorphosée en femme discrète et attentionnée, à l'image de son personnage des Murs porteurs de Cyril Gelbat, sur les écrans en 2008.
Miou-Miou n'abandonne pas le théâtre. Elle monte sur scène avec Samy Frey pour quarante représentations triomphales de La Musica, écrite et mise en scène par Marguerite Duras. Au Théâtre National Populaire de Villeurbanne, elle s'illustre en Hermione dans Andromaque.
A la télévision, elle apparaît notamment dans L'Argent (1987) de Jacques Rouffio et dans Une page d'amour (1994) de Serge Moati.
Miou-Miou est nommée dix fois aux Césars, et obtient en 1980 celui de la meilleur actrice ; elle se distingue en refusant de prendre sa récompense.
Courts métrages 1970 | Vie sentimentale de Georges le tueur (La) | Daniel Berger |
Longs métrages| 1971 | An 01 (L') | Jacques Doillon |
| 1971 | Cavale (La) | Michel Mitrani |
| 1972 | Elle court, elle court la banlieue | Gérard Pirès |
| 1972 | Quelques messieurs trop tranquilles | Georges Lautner |
| 1972 | Themroc | Claude Faraldo |
| 1973 | Aventures de Rabbi Jacob (Les) | Gérard Oury |
| 1973 | Granges brûlées (Les) | Jean Chapot |
| 1973 | Valseuses (Les) | Bertrand Blier |
| 1974 | Grande trouille (La) | Pierre Grunstein |
| 1974 | Lily, aime-moi | Maurice Dugowson |
| 1974 | Pas de problème ! | Georges Lautner |
| 1975 | D'amour et d'eau fraîche | Jean-Pierre Blanc |
| 1975 | F. comme Fairbanks | Maurice Dugowson |
| 1975 | Marcia trionfale La Marche triomphale | Marco Bellocchio |
| 1975 | Un genio, due compari e un pollo Un génie, deux associés, une cloche | Damiano Damiani |
| 1976 | Al piacere di rivederla [Portrait de province en rouge] | Marco Leto |
| 1976 | Jonas qui aura 25 ans en l'an 2000 | Alain Tanner |
| 1976 | On aura tout vu | Georges Lautner |
| 1977 | Dites-lui que je l'aime | Claude Miller |
| 1977 | Routes du sud (Les) | Joseph Losey |
| 1978 | Ingorgo, una storia impossibile (L') Le Grand embouteillage | Luigi Comencini |
| 1979 | Au revoir, à lundi | Maurice Dugowson |
| 1979 | Dérobade (La) | Daniel Duval |
| 1979 | Femme flic (La) | Yves Boisset |
| 1980 | Est-ce bien raisonnable ? | Georges Lautner |
| 1981 | Gueule du loup (La) | Michel Léviant |
| 1981 | Guy de Maupassant | Michel Drach |
| 1981 | Josépha | Christopher Frank |
| 1982 | Coup de foudre | Diane Kurys |
| 1983 | Attention, une femme peut en cacher une autre ! | Georges Lautner |
| 1983 | Canicule | Yves Boisset |
| 1984 | Blanche et Marie | Jacques Renard |
| 1984 | Vol du sphinx (Le) | Laurent Ferrier |
| 1986 | Tenue de soirée | Bertrand Blier |
| 1988 | Lectrice (La) | Michel Deville |
| 1988 | Portes tournantes (Les) | Francis Mankiewicz |
| 1989 | Milou en mai | Louis Malle |
| 1990 | Netchaiev est de retour | Jacques Deray |
| 1991 | Bal des casse-pieds (Le) | Yves Robert |
| 1991 | Totale (La) | Claude Zidi |
| 1992 | Germinal | Claude Berri |
| 1992 | Tango | Patrice Leconte |
| 1993 | Montparnasse-Pondichery | Yves Robert |
| 1994 | Un Indien dans la ville | Hervé Palud |
| 1995 | Huitième jour (Le) | Jaco Van Dormael |
| 1995 | Ma femme me quitte | Didier Kaminka |
| 1996 | Elles | Luís Galvão Teles |
| 1997 | Hors jeu | Karim Dridi |
| 1997 | Nettoyage à sec | Anne Fontaine |
| 1999 | Tout va bien, on s'en va | Claude Mouriéras |
| 2003 | Après-midi de Monsieur Andesmas (L') | Michelle Porte |
| 2003 | Folle embellie | Dominique Cabrera |
| 2003 | Mariages ! | Valérie Guignabodet |
| 2004 | Riviera | Anne Villacèque |
| 2004 | Un reste, l'autre part (L') | Claude Berri |
| 2005 | Avril | Gérald Hustache-Mathieu |
| 2005 | Mia et le Migou | Jacques-Rémy Girerd |
| 2005 | Murs porteurs (Les) | Cyril Gelblat |
| 2005 | Science des rêves (La) | Michel Gondry |
| 2006 | Héros de la famille (Le) | Thierry Klifa |
| 2007 | Affaire de famille | Claus Drexel |
| 2007 | Grand alibi (Le) | Pascal Bonitzer |
| 2008 | Concert (Le) | Radu Mihaileanu |
| 2008 | Pour un fils | Alix de Maistre |
| 2009 | Une petite zone de turbulences | Alfred Lot |
| 2010 | Bob et les Sex Pistaches | Yves Matthey |
| 2011 | Avanti | Emmanuelle Antille |
| 2011 | Bienvenue parmi nous | Jean Becker |
| 2011 | Populaire | Régis Roinsard |
| 2011 | Quand je serai petit | Jean-Paul Rouve |
| 2012 | Arrêtez-moi | Jean-Paul Lilienfeld |
| 2012 | Landes | François-Xavier Vives |
| 2016 | Monnaie de leur pièce (La) | Anne Le Ny |
| 2017 | Larguées | Eloïse Lang |
| 2017 | Pupille | Jeanne Herry |
| 2018 | Belle-fille | Méliane Marcaggi |
| 2020 | Murder party | Nicolas Pleskof |
| 2021 | Dernier mercenaire (Le) | David Charhon |