A l'âge de dix-sept ans, Jane Birkin est présentée par sa mère à un directeur de théâtre. Elle débute dans une pièce de Graham Greene, Craving a statue.
Jane Birkin fait des débuts remarqués dans Le knack (1965) de Richard Lester puis dans Blow up (1966) de Michelangelo Antonioni, où elle joue une des deux modèles qui pose nue pour le photographe. D'un film à l'autre, elle affirme sa personnalité, et son accent délicieux nous permet de la retrouver souvent dans le rôle de "l'anglaise", victime de sa méconnaissance des moeurs continentales. Sa rencontre avec Serge Gainsbourg est décisive. Ensemble, ils jouent dans Slogan (1968) de Pierre Grimblat et dans Cannabis (1970). Puis il la fait tourner dans ses propres films ; Je t'aime, moi non plus (1975) révèle son talent de tragédienne, talent confirmé un an plus tard par Le diable au coeur de Bernard Queysanne. Avec Mort sur le Nil (1977) de John Guillermin, puis Au bout du bout du banc (1978) de Peter Kassovitz, elle semble cantonnée à des rôles d'écervelée souriante et sympathique. En 1980, Jacques Doillon exploite son tempérament dramatique dans La fille prodigue et, trois ans plus tard, il fait éclater sa personnalité passionnée dans La pirate. Dès lors, elle ne se consacre plus qu'à des rôles dramatiques ; Dust (1984) de Marion Hænsel, Soigne ta droite ! (1987) de Jean-Luc Godard, Daddy nostalgie (1989) de Bertrand Tavernier, La belle noiseuse (1990) de Jacques Rivette. En 1987, Jane Birkin se prête au talent d'Agnès Varda qui réalise un très beau portrait d'elle dans Jane B. par Agnès V.. Elle passe donc du statut de vedette populaire à celui d'une actrice "sérieuse", sollicitée par les plus grands cinéastes contemporains dans des rôles variés. Les années 90 sont presque totalement consacrées à la chanson et marquées par la mort de Gainsbourg. Elle participe néanmoins au film d'Alain Resnais en 1997 On connaît la chanson et tourne dans deux films de réalisateurs britanniques : Last September de Deborah Warner (1998) et l'année suivante, La fille d'un soldat ne pleure jamais de James Ivory. Elle revient après sept ans d'absence au cinéma français avec le film d'un jeune réalisateur de 25 ans, Rodolphe Marconi, qui lui fait tenir un rôle à contre-emploi, celui d'une femme cruelle, sans compassion ni instinct maternel, dans Ceci est mon corps. Elle renoue ensuite avec la comédie dans Rêves d'un jour (2001) de Marion Vernoux ou Mariées mais pas trop (2003) de Catherine Corsini. Dans ce dernier film, comme dans le désopilant Merci Dr Rey de Andrew Litvack, elle reçoit des hommages appuyés qui la font apparaître telle une icône.
Jane Birkin chante les compositions de Serge Gainsbourg et poursuit, après la mort de celui-ci, poursuit une carrière de chanteuse de nombreux concerts. Elle joue à la télévision (elle incarne notamment la femme de l'écrivain R.L. Stevenson. Poussée par Agnès Varda, après le tournage du film, en 1987, elle écrit le scénario de Kung-fu master, film suivant de la réalisatrice. Enfin, elle réalise en 1992 pour la télévision Oh, pardon ! tu dormais, qu'elle jouera au théâtre en 1999. Elle était déjà montée sur les planches, à l'occasion de L'aide-mémoire de Jean-Claude Carrière en 1994, avec Pierre Arditi. En 2005, elle interprète Gertrude dans Hamlet, mis en scène par Rupert Gould. Elle s'investit beaucoup dans l'humanitaire depuis les années 1990, et réalise pour Amnesty international Contre l'oubli (1991). Elle participe aussi comme réalisatrice à 3000 scénarios contre un virus(1994).
Courts métrages 1994 | 3000 scénarios contre un virus : Je t'aime, moi non plus | Jane Birkin |
Longs métrages| 1991 | Contre l'oubli | Chantal Akerman, René Allio, Denis Amar, [etc.] |
| 1991 | Contre l'oubli : Maria Nonna Santa Clara (Philippines) | Jane Birkin |
| 1992 | Oh pardon, tu dormais ! [TV] | Jane Birkin |
| 2006 | Boxes | Jane Birkin |
| 2006 | Boxes | Jane Birkin |
| 2004 | Ex femme de ma vie (L') | Josiane Balasko |
| 1989 | Daddy nostalgie | Bertrand Tavernier |
| 2002 | Divorce (Le) | James Ivory |
| 1988 | Fille de quinze ans (La) | Jacques Doillon |
| 1964 | Knack and How to Get It (The) Le Knack et comment l'avoir | Richard Lester |
| 1966 | Blow up | Michelangelo Antonioni |
| 1966 | Kaleidoscope Le Gentleman de Londres | Jack Smight |
| 1967 | Wonder Wall | Joe Massot |
| 1968 | Piscine (La) | Jacques Deray |
| 1968 | Slogan | Pierre Grimblat |
| 1969 | Alba pagana = Delitto a Oxford | Ugo Liberatore |
| 1969 | Cannabis | Pierre Koralnik |
| 1969 | Chemins de Katmandou (Les) | André Cayatte |
| 1969 | Sex power | Henry Chapier |
| 1969 | Trop petit mon ami | Eddy Matalon |
| 1970 | Romansa konjokradice Le Voleur de chevaux | Fedor Hanzekovic |
| 1971 | Devetnaest devojaka i mornar [Dix-neuf filles et un marin] = [Ballade à Sarajevo] | Milutin Kosovac |
| 1972 | Dark Places Le Manoir des phantasmes | Don Sharp |
| 1972 | Don Juan ou si Don Juan était une femme | Roger Vadim |
| 1972 | Morte negli occhi del gatto (La) Les Diablesses | Anthony Dawson |
| 1972 | Trop jolies pour être honnêtes | Richard Balducci |
| 1973 | Comment réussir quand on est con et pleurnichard | Michel Audiard |
| 1973 | Mouton enragé (Le) | Michel Deville |
| 1973 | Projection privée | François Leterrier |
| 1974 | Moutarde me monte au nez (La) | Claude Zidi |
| 1974 | Sérieux comme le plaisir | Robert Benayoun |
| 1974 | Tid til at leve [Le Temps de vivre] | Annett Wolf |
| 1975 | Catherine et Cie | Michel Boisrond |
| 1975 | Course à l'échalote (La) | Claude Zidi |
| 1975 | Diable au coeur (Le) | Bernard Queysanne |
| 1975 | Je t'aime moi non plus | Serge Gainsbourg |
| 1975 | Sept morts sur ordonnance | Jacques Rouffio |
| 1976 | Bruciati da cocente passione L'Amour, c'est quoi au juste ? | Giorgio Capitani |
| 1977 | Animal (L') | Claude Zidi |
| 1977 | Death on the Nile Mort sur le Nil | John Guillermin |
| 1978 | Au bout du bout du banc | Peter Kassovitz |
| 1979 | Egon Schiele, Exzess und Bestrafung Egon Schiele, enfer et passion | Herbert Vesely |
| 1979 | Melancoly baby | Clarisse Gabus |
| 1979 | Miel (La) | Pedro Maso |
| 1980 | Fille prodigue (La) | Jacques Doillon |
| 1980 | Rends-moi la clé | Gérard Pirès |
| 1981 | Evil Under the Sun Meurtre au soleil | Guy Hamilton |
| 1981 | Nestor Burma détective de choc | Jean-Luc Miesch |
| 1982 | Circulez y'a rien à voir | Patrice Leconte |
| 1983 | Ami de Vincent (L') | Pierre Granier-Deferre |
| 1983 | Amour par terre (L') | Jacques Rivette |
| 1983 | Garde du corps (Le) | François Leterrier |
| 1984 | Dust | Marion Hänsel |
| 1984 | Leave All Fair Souvenirs secrets | John Reid |
| 1984 | Pirate (La) | Jacques Doillon |
| 1985 | Fausse suivante [TV] (La) | Patrice Chéreau |
| 1985 | Neveu de Beethoven (Le) | Paul Morrissey |
| 1986 | Femme de ma vie (La) | Régis Wargnier |
| 1987 | Comédie ! | Jacques Doillon |
| 1987 | Jane B. par Agnès V. | Agnès Varda |
| 1987 | Kung-fu master ! | Agnès Varda |
| 1987 | Soigne ta droite | Jean-Luc Godard |
| 1989 | Daddy nostalgie | Bertrand Tavernier |
| 1990 | Belle noiseuse (La) | Jacques Rivette |
| 1990 | Belle noiseuse, divertimento (La) | Jacques Rivette |
| 1991 | Contre l'oubli : Maria Nonna Santa Clara (Philippines) | Jane Birkin |
| 1994 | Cent et une nuits (Les) | Agnès Varda |
| 1994 | Li Entre le diable et la mer d'un bleu profond | Marion Hänsel |
| 1994 | Noir comme le souvenir | Jean-Pierre Mocky |
| 1997 | A Soldier's Daughter Never Cries La Fille d'un soldat ne pleure jamais | James Ivory |
| 1997 | On connaît la chanson | Alain Resnais |
| 1998 | Last September (The) | Deborah Warner |
| 2000 | Ceci est mon corps | Rodolphe Marconi |
| 2000 | Reines d'un jour | Marion Vernoux |
| 2001 | Merci Docteur Rey | Andrew Litvack |
| 2002 | Mariées mais pas trop | Catherine Corsini |
| 2006 | Boxes | Jane Birkin |
| 2006 | Tête de maman (La) | Carine Tardieu |
| 2008 | Trente-six vues du pic Saint-Loup | Jacques Rivette |
| 2009 | Thelma, Louise et Chantal | Benoît Pétré |
| 2010 | Je suis venu vous dire (Gainsbourg par Ginzburg) | Pierre-Henry Salfati |
| 2010 | Si tu meurs, je te tue | Hiner Saleem |
| 2011 | Venuto al mondo | Sergio Castellitto |
| 2012 | Quai d'Orsay | Bertrand Tavernier |
| 2020 | Jane par Charlotte | Charlotte Gainsbourg |