Après avoir travaillé quelque temps pour Coco Chanel, Bulle Ogier rencontre Marc'O auprès de qui elle suit une formation d'actrice à l'American Center et dont elle crée trois pièces, en particulier Les Idoles (1966), décapante parodie de la société du spectacle où elle interprète Gigi la Folle. Avec des acteurs comme Pierre Clémenti et Jean-Pierre Kalfon, elle participe dans les années 1960 à la création d'un des premiers cafés-théâtres parisiens.
Bulle Ogier est révélée au cinéma dans l'adaptation des Idolespar Marc'O lui-même (1967). L'Amour fou (1968) de Jacques Rivette et Paulina s'en va d'André Téchiné confirment l'inclination de la jeune actrice pour le cinéma d'auteur. Son image de fille fragile, émouvante de vérité, se prête à des rôles difficiles dans des films intimistes. C'est le rôle de Rosemonde, la jeune ouvrière criminelle de La Salamandre (1971) d'Alain Tanner, un film suisse au retentissement inattendu, qui la fait connaître du public. Sa "présence absence", son jeu toujours légèrement décalé, la font remarquer par Luis Bunuel qui fait d'elle la sœur de Delphine Seyrig dans Le Charme discret de la bourgeoisie (1972).
Après une incursion dans l'univers de Claude Lelouch (Mariage, 1974), elle retrouve Jacques Rivette, son réalisateur fétiche (elle tournera pour lui à sept reprises), pour Duelle (1975). Elle participe même au scénario de deux des films du réalisateur dont elle est l'interprète principale, Céline et Julie vont en bateau (1974) et, avec sa fille Pascale Ogier, Le Pont du Nord (1981). Elle fait aussi la rencontre de Barbet Schroeder qui l'engage pour le trip libertaire de La Vallée (1972) puis pour Maîtresse (1975), une sulfureuse histoire sado-masochiste : elle devient son l'épouse et ils tourneront plusieurs fois ensemble.
Actrice réputée intellectuelle, elle devient l'anti-star de certains des cinéastes européens les plus exigeants des années 1970 : André Delvaux, Daniel Schmid, Philippe Garrel, Werner Schroeter, Eduardo de Gregorio, Rainer Werner Fassbinder, Francis Reusser... Elle se sent proche de Marguerite Duras, dont elle crée plusieurs pièces sur scène (dont Des journées entières dans les arbres (1975) ou Savannah Bay (1984), elle tourne aussi avec elle Le Navire Night (1979) et Agatha et les lectures illimitées (1981).
Preuve de sa recherche constante de la qualité, Bulle Ogier, tout en continuant à collaborer avec les grands noms - Claude Chabrol pour Au coeur du mensonge, Rivette pour Ne touchez pas à la hache (2007), Werner Schroeter pour Nuit de chien en 2008 -, tourne à partir des années 1990 dans des oeuvres de jeunes cinéastes séduits autant par ce qu'elle incarne dans l'histoire du cinéma que par sa fantaisie et son jeu toujours inattendu : Nord (1991) et N'oublie pas que tu vas mourir (1995) de Xavier Beauvois, Regarde les hommes tomber (1994) de Jacques Audiard, Irma Vep (1996) d'Olivier Assayas, Vénus Beauté (Institut) (1999) de Tonie Marshall, Gentille (2005) de Sophie Fillières, Faut que ça danse ! (2007) de Noémie Lvovsky, etc. Qu'elle soit ouvrière, prostituée, petite-bourgeoise ou aristocrate, elle produit un jeu lunaire et énigmatique qui captive par sa part laissée à l'angoisse et à l'inconscience. Sa fraîcheur et son naturel la classent parmi les meilleures actrices françaises.
Tout en travaillant régulièrement pour la télévision, Bulle Ogier est surtout très présente au théâtre où elle joue Ibsen, Botho Strauss, Schnitzler, Gombrowicz, Ingmar Bergman… pour les meilleurs metteurs en scène : Luc Bondy, Roger Planchon, Marguerite Duras, Patrice Chéreau et surtout Claude Régy. En 2011, elle a reçu le Molière du meilleur second rôle pour la pièce Rêve d'automne de Jon Fosse, mise en scène par Chéreau.
Courts métrages 1968 | Piège | Jacques Baratier |
| 1969 | Et crac | Jean Douchet |
| 1970 | Aussi loin que mon enfance | Marilù Parolini |
| 1978 | Weisse Reise | Werner Schroeter |
| 1980 | Paris s'en va | Jacques Rivette |
| 1981 | Notre-Dame de la Croisette | Daniel Schmid |
| 1992 | Sommeil d'Adrien (Le) | Caroline Champetier |
| 1994 | Bête de scène | Bernard Nissile |
| 1995 | Tout va mal | Marco Nicoletti |
| 2001 | Novela | Cédric Anger |
| 2005 | Mal de mer | Olivier Vinuesa |
Longs métrages| 1973 | Céline et Julie vont en bateau | Jacques Rivette |
| 1980 | Pont du nord (Le) | Jacques Rivette |
| 1965 | Bargasses (Les) | Marc'O |
| 1966 | Désordre a vingt ans (Le) | Jacques Baratier |
| 1967 | Amour fou (L') | Jacques Rivette |
| 1967 | Idoles (Les) | Marc'O |
| 1968 | Pierre et Paul | René Allio |
| 1968 | Quarante-huit heures d'amour | Cécil Saint-Laurent |
| 1968 | Souvenirs souvenirs | Pierre Clémenti |
| 1969 | Paulina s'en va | André Téchiné |
| 1970 | M comme Mathieu | Jean-François Adam |
| 1970 | Out 1 : Noli me tangere | Jacques Rivette |
| 1970 | Out 1 : Spectre | Jacques Rivette, Suzanne Schiffman |
| 1970 | Salamandre (La) | Alain Tanner |
| 1970 | Stances à Sophie (Les) | Moshé Mizrahi |
| 1971 | Rendez-vous à Bray | André Delvaux |
| 1971 | Vallée (La) | Barbet Schroeder |
| 1972 | Charme discret de la bourgeoisie (Le) | Luis Buñuel |
| 1972 | Gang des otages (Le) | Edouard Molinaro |
| 1972 | George qui ? | Michèle Rosier |
| 1973 | Bel ordure | Jean Marboeuf |
| 1973 | Céline et Julie vont en bateau | Jacques Rivette |
| 1973 | Io e lui | Luciano Salce |
| 1973 | Paloma (La) | Daniel Schmid |
| 1973 | Projection privée | François Leterrier |
| 1973 | Un ange au paradis | Jean-Pierre Blanc |
| 1974 | Mariage | Claude Lelouch |
| 1974 | Un ange passe | Philippe Garrel |
| 1975 | Duelle | Jacques Rivette |
| 1975 | Goldflocken Les Flocons d'or | Werner Schroeter |
| 1975 | Jamais plus toujours | Yannick Bellon |
| 1975 | Maîtresse | Barbet Schroeder |
| 1975 | Sérail | Eduardo de Gregorio |
| 1975 | Un divorce heureux | Henning Carlsen |
| 1976 | Des journées entières dans les arbres | Marguerite Duras |
| 1978 | Dritte Generation (Die) La Troisième génération | Rainer Werner Fassbinder |
| 1978 | Mémoire courte (La) | Eduardo de Gregorio |
| 1978 | Navire night (Le) | Marguerite Duras |
| 1979 | Rose et le blanc (Le) | Robert Pansard-Besson |
| 1980 | Pont du nord (Le) | Jacques Rivette |
| 1980 | Seuls | Francis Reusser |
| 1981 | Agatha et les lectures illimitées | Marguerite Duras |
| 1981 | Aspern | Eduardo de Gregorio |
| 1981 | Derelitta (La) | Jean-Pierre Igoux |
| 1983 | Tricheurs | Barbet Schroeder |
| 1985 | Mon cas | Manoel de Oliveira |
| 1986 | Weite Land (Das) Terre étrangère | Luc Bondy |
| 1987 | Bande des quatre (La) | Jacques Rivette |
| 1987 | Candy Mountain | Rudy Wurlitzer, Robert Frank |
| 1990 | Jacques Rivette, le veilleur | Claire Denis, Serge Daney |
| 1991 | Nord | Xavier Beauvois |
| 1993 | Fado majeur et mineur | Raoul Ruiz |
| 1993 | Personne ne m'aime | Marion Vernoux |
| 1993 | Regarde les hommes tomber | Jacques Audiard |
| 1994 | Circuit Carole | Emmanuelle Cuau |
| 1994 | Fils de Gascogne (Le) | Pascal Aubier |
| 1994 | N'oublie pas que tu vas mourir | Xavier Beauvois |
| 1996 | Irma Vep | Olivier Assayas |
| 1996 | Somewhere in the city | Ramin Niami |
| 1997 | Shattered Image Jessie | Raoul Ruiz |
| 1997 | Voleur de vie | Yves Angelo |
| 1998 | Au coeur du mensonge | Claude Chabrol |
| 1998 | Vénus beauté (institut) | Tonie Marshall |
| 1999 | Confusion des genres (La) | Ilan Duran Cohen |
| 2000 | A proposito de Bunuel | José Luis López Linares, Javier Rioyo |
| 2001 | Bord de mer | Julie Lopes-Curval |
| 2001 | Deux | Werner Schroeter |
| 2001 | Merci Docteur Rey | Andrew Litvack |
| 2002 | Bienvenue au gîte | Claude Duty |
| 2002 | Toutes ces belles promesses [TV] | Jean-Paul Civeyrac |
| 2004 | Gentille | Sophie Fillières |
| 2006 | Belle toujours | Manoel de Oliveira |
| 2006 | Faut que ça danse ! | Noémie Lvovsky |
| 2006 | Ne touchez pas la hache | Jacques Rivette |
| 2007 | Passe-passe | Tonie Marshall |
| 2007 | Un autre homme | Lionel Baier |
| 2008 | Nuit de chien | Werner Schroeter |
| 2009 | Chantrapas | Otar Iosseliani |
| 2009 | Petits ruisseaux (Les) | Pascal Rabaté |
| 2009 | Traversée du désir (La) | Arielle Dombasle |
| 2011 | Archipel du cas'O (L') | Sébastien Juy |
| 2014 | Boomerang | François Favrat |
| 2014 | Encore heureux | Benoît Graffin |
| 2016 | Vénérable W. (Le) | Barbet Schroeder |
| 2018 | Merveilles à Montfermeil | Jeanne Balibar |