Après une adolescence passée au Japon auprès de son père, Joan Fontaine rejoint sa mère et sa soeur en Californie. Elle joue plusieurs petits rôles au théâtre avant d'être remarquée par un agent de la Metro Goldwin Mayer (MGM).
Sa soeur, Olivia de Havilland, est déjà célèbre quand Joan Fontaine fait ses débuts au cinéma. Sous le pseudonyme de Joan Burfield, elle apparaît dans La femme de sa vie (George Cukor et Edward H. Griffith, 1935). Elle retourne à la scène, puis signe un contrat avec la RKO en 1937. La compagnie l'emploie dans des films de série B, hormis deux films de George Stevens où elle donne successivement la réplique à Fred Astaire et à Douglas Fairbanks Jr. : Demoiselle en détresse (1937) et Gunga-Din (1939). Une fois séparée de la RKO, elle obtient plusieurs grands rôles. Sa sensibilité, découverte dans Femmes (George Cukor, 1939), est utilisée par Alfred Hitchcock dans Rebecca (1940) et Soupçons (1941). Désormais aussi connue que sa soeur, cette beauté blonde maintient une expression très personnelle de fragilité et de pudeur maladroite. Anxieuse avec Hitchcock, elle est dominée par Orson Welles dans Jane Eyre (Robert Stevenson, 1944), malheureuse et romantique dans Lettre d'une inconnue (Max Ophüls, 1948). Avec le temps, cette nature plutôt froide diffuse davantage de sensualité, à l'image de ses personnages de L'invraisemblable vérité (Fritz Lang, 1956), Une île au soleil (Robert Rossen, 1957) ou Tendre est la nuit (Henry King, 1962). Le cinéma ne lui donnant plus guère de satisfaction, Joan Fontaine s'oriente à nouveau vers le théâtre.
A Broadway, elle joue dans de nombreuses pièces modernes et classiques, dont Thé et sympathie (1954).
Courts métrages 1937 | A Million to One Une chance sur mille | Lynn Shores |
Longs métrages| 1935 | No More Ladies La Femme de sa vie | Edward H. Griffith, George Cukor |
| 1936 | Quality Street A travers le passé = Pour un baiser | George Stevens |
| 1937 | A Damsel in Distress Demoiselle en détresse | George Stevens |
| 1937 | Music for Madame Musique pour Madame | John G. Blystone |
| 1937 | You Can't Beat Love | Christy Cabanne |
| 1938 | Blonde Cheat | Joseph Santley |
| 1938 | Duke of West Point (The) | Alfred E. Green |
| 1938 | Gunga Din | George Stevens |
| 1938 | Maid's Night Out Mademoiselle a disparu | Ben Holmes |
| 1938 | Man Who Found Himself (The) | Lew Landers |
| 1938 | Sky Giant | Lew Landers |
| 1939 | Man of conquest | George Nicholls Jr. |
| 1939 | Rebecca | Alfred Hitchcock |
| 1939 | Women (The) Femmes | George Cukor |
| 1941 | Suspicion Soupçons | Alfred Hitchcock |
| 1942 | Constant Nymph (The) Tessa, la nymphe au coeur fidèle | Edmund Goulding |
| 1942 | This Above All Ames rebelles | Anatole Litvak |
| 1943 | Jane Eyre | Robert Stevenson |
| 1944 | Frenchman's Creek L'Aventure vient de la mer | Mitchell Leisen |
| 1945 | Affairs of Suzan (The) Les Caprices de Suzanne | William A. Seiter |
| 1946 | Emperor Waltz (The) La Valse de l'Empereur | Billy Wilder |
| 1946 | From This Day Forward | John Berry |
| 1946 | Ivy Le Crime de Madame Lexton | Sam Wood |
| 1947 | Letter from an Unknown Woman Lettre d'une inconnue | Max Ophuls |
| 1948 | Kiss the Blood off My Hands Les Amants traqués | Norman Foster |
| 1948 | You Gotta Stay Happy | Henry C. Potter |
| 1949 | Othello | Orson Welles |
| 1949 | September Affair Les Amants de Capri | William Dieterle |
| 1950 | Born to Be Bad | Nicholas Ray |
| 1950 | Something to Live For L'Ivresse et l'amour | George Stevens |
| 1951 | Darling, How Could You ! | Mitchell Leisen |
| 1951 | Ivanhoe Ivanhoé | Richard Thorpe |
| 1952 | Decameron Nights Pages galantes de Boccace | Hugo Fregonese |
| 1953 | Bigamist (The) | Ida Lupino |
| 1953 | Casanova's Big Night La Grande nuit de Casanova | Norman Z. McLeod |
| 1953 | Flight to Tangier Vol sur Tanger | Charles Marquis Warren |
| 1955 | Serenade Sérénade | Anthony Mann |
| 1956 | Beyond a Reasonable Doubt L'Invraisemblable vérité | Fritz Lang |
| 1957 | Island in the Sun Une île au soleil | Robert Rossen |
| 1957 | Until They Sail Femmes coupables | Robert Wise |
| 1958 | A Certain Smile Un certain sourire | Jean Negulesco |
| 1961 | Tender Is the Night Tendre est la nuit | Henry King |
| 1961 | Voyage to the Bottom of the Sea Le Sous-marin de l'apocalypse | Irwin Allen |
| 1966 | Witches (The) | Cyril Frankel |
| 1974 | Busby Berkeley | Russ Jones |
| 1983 | Dolce cinema | Claudio Masenza, Francesco Bortolini |
| 1985 | Hitchcock, il brivido del genio | Claudio Masenza, Francesco Bortolini |
| 1987 | Hollywood The Golden Years : The RKO Story | Anonyme |