Macha Méril suit les cours d'art dramatiques de Dullin. C'est par hasard qu'elle est choisie pour le rôle féminin du premier film de Gérard Oury, La Main chaude (1959).
Après sa première apparition sur le grand écran, Macha Méril s'illustre en confidente de Marina Vlady dans Adorable menteuse (1961) de Michel Deville. De retour des Etats-Unis où elle tourne notamment Mercredi soir, neuf heures (1963) de Daniel Mann, elle rencontre Jean-Luc Godard qui en fait le pivot d'Une femme mariée (1964). Le réalisateur de la Nouvelle Vague tourne délibérément le charme de l'actrice en dérision. L'histoire audacieuse de cette petite bourgeoise, témoin de son époque, est d'abord interdite en France, puis autorisée après quelques coupes. Macha Méril tourne ensuite Belle de jour (1966) avec Luis Buñuel. Dans les années 1970, elle s'exile en Italie. En collaboration avec son mari, réalisateur et producteur italien, elle tourne dans de nombreux films, dont Nous sommes tous en liberté provisoire (1972) de Maulio Scarpelli. A son retour en France, elle incarne souvent des seconds rôles discrets comme celui de l'épouse respectable du Grand Carnaval (1983) d'Alexandre Arcady ou de l'épouse modeste et effacée de Au nom de tous les miens (1983) de Robert Enrico. Elle sait aussi exprimer des personnages subtils comme dans Sans toit ni loi (1985) d'Agnès Varda, où elle incarne une intellectuelle humaniste et volontaire confrontée à l'échec. Guy Gilles et Claude Miller perturbent définitivement l'image de femme douce de Macha Méril : le premier la transforme en meurtrière dans Crime d'amour (1982) et le second en froide instigatrice d'un jeu sadique dans Mortelle Randonnée (1982). Macha Méril possède en outre un véritable don pour la métamorphose physique. Elle passe par exemple du rôle de gouvernante muette dans Roulette chinoise (1976) de Rainer Werner Fassbinder à celui de souillon fruste dans La Vouivre (1988) de Georges Wilson.
Macha Méril s'illustre sur les planches, notamment dans L'Eloignement de Loleh Bellon avec Pierre Arditi. En 1989, elle interprète La Mouette de Tchekhov.
En 1967, elle fonde sa maison de production, Macha Films, dont profitent Guy Gilles (Au pan coupé, 1967) et Robert Bresson (Quatre nuits d'un rêveur, 1970).
Pour la télévision, elle interprète des téléfilms, dont Le Bonheur des tristes de Caroline Huppert, et réalise Alla Turqua (1995).
Elle publie un roman, La Star (1982), deux livres de recettes, et ses Mémoires (J'aime pas, 1997).
Courts métrages 1959 | Une question d'assurance | Pierre Kast |
| 1962 | Petites demoiselles [TV] (Les) | Michel Deville |
| 1995 | Biche (La) | Jean-Paul Husson |
| 2002 | Ages ingrats | Cyril Gelblat |
| 2007 | Guy Gilles et le temps désaccordé | Gaël Lépingle |
Longs métrages| 1967 | Au pan coupé | Guy Gilles |
| 1959 | Main chaude (La) | Gérard Oury |
| 1959 | Signe du lion (Le) | Eric Rohmer |
| 1961 | Adorable menteuse | Michel Deville |
| 1962 | Repos du guerrier (Le) | Roger Vadim |
| 1963 | Vie conjugale (La) | André Cayatte |
| 1963 | Who's Been Sleeping in My Bed ? Mercredi soir, 9 heures | Daniel Mann |
| 1964 | Une femme mariée | Jean-Luc Godard |
| 1965 | Ölprinz (Der) L'Appât de l'or noir | Harald Philipp |
| 1966 | Belle de jour | Luis Bunuel |
| 1966 | Espion (L') | Raoul Lévy |
| 1966 | Horizon (L') | Jacques Rouffio |
| 1967 | Au pan coupé | Guy Gilles |
| 1967 | Ne jouez pas avec les martiens | Henri Lanoë |
| 1970 | Amore coniugale (L') | Dacia Maraini |
| 1970 | Notte dei fiori (La) [La Nuit des fleurs] | Gian Vittorio Baldi |
| 1971 | Nous ne vieillirons pas ensemble | Maurice Pialat |
| 1971 | Siamo tutti in libertà provvisoria | Manlio Scarpelli |
| 1973 | Chinois à Paris (Les) | Jean Yanne |
| 1974 | Amore mio non farmi male | Vittorio Sindoni |
| 1974 | Età della pace (L') | Fabio Carpi |
| 1974 | Profondo rosso Les Frissons de l'angoisse | Dario Argento |
| 1974 | Ultimo giorno di scuola prima delle vacanze di Natale (L') | Gian Vittorio Baldi |
| 1974 | Ultimo treno della notte (L') La Bête tue de sang froid | Aldo Lado |
| 1975 | Perdutamente tuo, mi firmo Macaluso Carmelo fu Giuseppe | Vittorio Sindoni |
| 1975 | Son tornatore a fiorire le rose | Vittorio Sindoni |
| 1976 | Chinesisches Roulette Roulette chinoise | Rainer Werner Fassbinder |
| 1976 | Peccatori di provincia | Tiziano Longo |
| 1977 | Delirio d'amore | Tonino Ricci |
| 1977 | En l'autre bord | Jérôme Kanapa |
| 1977 | Ride bene chi ride ultimo : Prete per forza | Walter Chiari |
| 1977 | Tanto va la gatta al lardo | Marco Aleandri |
| 1977 | Una donna di seconda mano | Pino Tosini |
| 1977 | Va voir maman, papa travaille | François Leterrier |
| 1978 | Ridendo e scherzando | Marco Aleandri |
| 1978 | Robert et Robert | Claude Lelouch |
| 1978 | Rock and roll | Vittorio De Sisti |
| 1979 | Rose di Danzica (Le) | Alberto Bevilacqua |
| 1980 | Beau-père | Bertrand Blier |
| 1980 | Tendres cousines | David Hamilton |
| 1980 | Uns et les autres (Les) | Claude Lelouch |
| 1981 | Crime d'amour (Le) | Guy Gilles |
| 1982 | Au nom de tous les miens | Robert Enrico |
| 1982 | Mortelle randonnée | Claude Miller |
| 1983 | Fauves (Les) | Jean-Louis Daniel |
| 1983 | Grand carnaval (Le) | Alexandre Arcady |
| 1984 | Nanas (Les) | Annick Lanoë |
| 1984 | Rois du gag (Les) | Claude Zidi |
| 1985 | Sans toit ni loi | Agnès Varda |
| 1985 | Suivez mon regard | Jean Curtelin |
| 1986 | Duet for One Duo pour une soliste | Andreï Konchalovsky |
| 1988 | Vouivre (La) | Georges Wilson |
| 1990 | Meeting Venus La Tentation de Vénus | István Szabó |
| 1991 | Una storia semplice | Emidio Greco |
| 1991 | Zuppa di pesce Soupe de poissons | Fiorella Infascelli |
| 1993 | Berlino '39 | Sergio Sollima |
| 1993 | Délit mineur | Francis Girod |
| 1994 | Fils de Gascogne (Le) | Pascal Aubier |
| 1997 | A Soldier's Daughter Never Cries La Fille d'un soldat ne pleure jamais | James Ivory |
| 1999 | Paris à tout prix | Yves Jeuland, Pascale Sauvage |
| 2000 | Sciamane (Le) | Anne Riitta Ciccone |
| 2001 | Rien, voilà l'ordre | Jacques Baratier |
| 2009 | Trésor | Claude Berri, François Dupeyron |
| 2011 | Un bonheur n'arrive jamais seul | James Huth |
| 2013 | Rançon de la gloire (La) | Xavier Beauvois |
| 2016 | Un profil pour deux | Stéphane Robelin |