A l'issue de ses cours au conservatoire d'art dramatique de Versailles puis à l'école de la rue Blanche, à Paris, Fanny Cottençon débute une carrière théâtrale.
Fanny Cottençon fait sa première apparition au cinéma dans un film de Bob Swaim, La nuit de Saint-Germain-des-Prés (1977). Poursuivant sa carrière théâtrale, elle ne revient au cinéma que trois ans plus tard, dans une adaptation des Fourberies de Scapin réalisée par Roger Coggio. Toujours en 1980, elle joue dans deux comédies : Le roi des cons de Claude Confortès et Signé Furax de Marc Simenon.
Mais c'est avec L'étoile du Nord de Pierre Granier-Deferre (1981) qu'elle s'impose auprès du grand public, remportant pour son rôle de la touchante Sylvie Baron, le César de la meilleure actrice dans un second rôle. Elle enchaîne avec Tête à claques (1981) de Francis Perrin, une comédie qui remporte un franc succès populaire. Elle se distingue autant dans des interprétations comiques que dans des rôles plus dramatiques comme dans Femmes de personne (Christopher Frank, 1983).
Fidèle au théâtre, Fanny Cottençon aime jouer dans des adaptations cinématographiques de pièces telles que Les fausses confidences (Daniel Moosmann, 1984), La folle journée ou le mariage de Figaro (Roger Coggio, 1988) ou A gauche en sortant de l'ascenseur (Edouard Molinaro, 1988). Dans Les clés du paradis de Philippe de Broca (1991), Fanny Cottençon donne la réplique à Gérard Jugnot et Pierre Arditi, dans une comédie sur les rapports fraternels.
Puis l'actrice "disparaît" du grand écran pendant plusieurs années. On l'y revoit dans Ça reste entre nous de Martin Lamotte (1997). Si Fanny Cottençon n'est jamais tête d'affiche, elle est une figure incontournable des seconds rôles du cinéma français. Dans le drame Change-moi ma vie (Liria Bégéja, 2000), l'actrice incarne Nadine, une galeriste alcoolique qui emploie Fanny Ardant. La même année elle tourne dans La fille de son père (Jacques Deschamps) où elle est l'épouse adultère de François Berléand. Dans le drame très dur Vivante (Sandrine Ray, 2001), Fanny Cottençon est Marie, une prostituée qui prend en charge une jeune fille meurtrie.
Affectionnant le travail des jeunes réalisateurs, l'actrice apparaît dans le premier film de Ilan Flammer, Le Temps d'un regard (2004), sous les traits de Madame Agnès. Jean Becker lui offre en 2006 le rôle d'Hélène, la femme de Daniel Auteuil, dans son Dialogue avec mon jardinier : l'histoire d'un peintre parisien, en froid avec son épouse, qui s'installe à la campagne et retrouve le sens de la vie. Quatre ans plus tard, en 2011, Fanny Cottençon est à l'affiche de Le Jour de la grenouille, drame de Béatrice Pollet.
Fanny Cottençon joue pour la télévision dans L'histoire du chevalier des Grieux et de Manon Lescaut (1978) de Jean Delannoy, L'inspecteur mène l'enquête (1978) de Boramy Tioulong, Désiré Latargue (1979) de Jean-Paul Gallo, Un coeur de marbre (1987) de Stéphane Kurc, Les hommes et les femmes sont faits pour vivre heureux mais pas ensemble (1994) de Philippe de Broca.
Longs métrages 1963 | Journal d'un fou | Roger Coggio |
| 1977 | Nuit de Saint-Germain-des-Près (La) | Bob Swaim |
| 1980 | Fourberies de Scapin (Les) | Roger Coggio |
| 1980 | Roi des cons (Le) | Claude Confortès |
| 1980 | Signé Furax | Marc Simenon |
| 1981 | Etoile du Nord (L') | Pierre Granier-Deferre |
| 1981 | Tête à claques | Francis Perrin |
| 1982 | Paradis pour tous | Alain Jessua |
| 1982 | Tout le monde peut se tromper | Jean Couturier |
| 1983 | Ami de Vincent (L') | Pierre Granier-Deferre |
| 1983 | Fanny Pelopeja A coups de crosse | Vicente Aranda |
| 1983 | Femmes de personne | Christopher Frank |
| 1984 | David, Thomas et les autres | Laszlo Szabo |
| 1984 | Fausses confidences (Les) | Daniel Moosmann |
| 1984 | Monsieur de Pourceaugnac | Michel Mitrani |
| 1985 | Golden eighties | Chantal Akerman |
| 1985 | Spécial police | Michel Vianey |
| 1986 | Poussière d'ange | Edouard Niermans |
| 1987 | Gros coeurs | Pierre Joassin |
| 1987 | Journal d'un fou (Le) | Roger Coggio |
| 1987 | Saisons du plaisir (Les) | Jean-Pierre Mocky |
| 1987 | Tant qu'il y aura des femmes | Didier Kaminka |
| 1988 | A gauche en sortant de l'ascenseur | Edouard Molinaro |
| 1988 | Folle journée ou Le Mariage de Figaro (La) | Roger Coggio |
| 1991 | Clés du paradis (Les) | Philippe de Broca |
| 1996 | Homme idéal (L') | Xavier Gélin |
| 1997 | Ca reste entre nous | Martin Lamotte |
| 1998 | Nos vies heureuses | Jacques Maillot |
| 2000 | Change-moi ma vie | Liria Bégéja |
| 2000 | Fille de son père (La) | Jacques Deschamps |
| 2000 | Mortel transfert | Jean-Jacques Beineix |
| 2001 | Vivante | Sandrine Ray |
| 2003 | Mariage mixte | Alexandre Arcady |
| 2004 | Temps d'un regard (Le) | Ilan Flammer |
| 2006 | Dialogue avec mon jardinier | Jean Becker |
| 2007 | Chambre des morts (La) | Alfred Lot |
| 2007 | Tu peux garder un secret ? | Alexandre Arcady |
| 2010 | Jour de la grenouille (Le) | Béatrice Pollet |
| 2012 | Beaux jours (Les) | Marion Vernoux |
| 2016 | A deux heures de Paris | Virginie Verrier |
| 2016 | Moi et le Che | Patrice Gautier |