Modèle pour photographes puis mannequin de haute couture, Mireille Balin ne suit aucune formation d'ordre cinématographique.
Quand Maurice Cammage découvre la jeune Mireille Balin, il lui confie un petit rôle dans Vive la classe ! (1932). Georg Wilhelm Pabst l'engage pour incarner la nièce de son Don Quichotte (1933) au côté du chanteur russe Fedor Chaliapine. C'est grâce à Julien Duvivier que Mireille Balin se révèle au grand public. Elle tient le rôle de Gaby, au côté de Jean Gabin, dans Pépé le Moko (1936). Ce chef-d'oeuvre la consacre vamp du cinéma français. En 1937, Jean Grémillon lui offre l'occasion de retrouver Jean Gabin dans Gueule d'amour. Actrice populaire, Mireille Balin est cantonnée à des rôles de femmes fatales. Elle joue pour Jean Delannoy (Macao, l'enfer du jeu, 1939 ; L'assassin a peur de la nuit, 1942), pour Edmond T. Gréville (Menaces, 1939), pour Jacques Becker (Dernier atout, 1942). Après la Seconde guerre mondiale, sa liaison avec un officier de l'armée d'occupation et sa participation au film profranquiste d'Augusto Genina, Les cadets de l'Alcazar (1940), l'empêchent de poursuivre sa carrière. Elle apparaît pour la dernière fois en 1946 dans La dernière chevauchée de Léon Mathot puis sombre dans l'oubli et le dénuement.
Longs métrages 1932 | Don Quichotte | Georg Wilhelm Pabst |
| 1933 | Adieu les beaux jours | Johannes Meyer, André Beucler |
| 1933 | Sexe faible (Le) | Robert Siodmak |
| 1933 | Vive la compagnie ! | Claude Moulins |
| 1934 | On a trouvé une femme nue | Léo Joannon |
| 1934 | Si j'étais le patron | Richard Pottier |
| 1935 | Marie des Angoisses | Michel Bernheim |
| 1936 | Jeunes filles de Paris | Claude Vermorel |
| 1936 | Pépé le Moko | Julien Duvivier |
| 1936 | Roman d'un spahi (Le) | Michel Bernheim |
| 1937 | Gueule d'amour | Jean Grémillon |
| 1937 | Naples au baiser de feu | Augusto Genina |
| 1938 | Capitaine Benoît (Le) | Maurice de Canonge |
| 1938 | Coups de feu | René Barberis |
| 1938 | Terre de feu | Marcel L'Herbier |
| 1938 | Vénus de l'or (La) | Charles Méré, Jean Delannoy |
| 1939 | Macao, l'enfer du jeu = L'enfer du jeu | Jean Delannoy |
| 1939 | Menaces | Edmond T. Gréville |
| 1939 | Rappel immédiat | Léon Mathot |
| 1940 | Assedio dell'Alcazar (L') Les Cadets de l'Alcazar | Augusto Genina |
| 1941 | Fromont jeune et Risler aîné | Léon Mathot |
| 1942 | Assassin a peur la nuit (L') | Jean Delannoy |
| 1942 | Dernier atout | Jacques Becker |
| 1942 | Femme que j'ai le plus aimée (La) | Robert Vernay |
| 1942 | Haut le Vent | Jacques de Baroncelli |
| 1942 | Malaria | Jean Gourguet |
| 1946 | Dernière chevauchée (La) | Léon Mathot |