Mireille Perrier commence par étudier l'art dramatique à Blois dans la compagnie du Hasard de Nicolas Peskine. Elle monte ensuite à Paris où elle s'inscrit au cours de Robert Corbier. Entourée de passionnés de cinéma, elle décroche un rôle dans un court-métrage, puis le petit rôle de Sonia, chef d'une bande de voyous, dans La Bête noire (1982) de Patrick Chaput. Lors d'un dîner, elle fait la rencontre décisive de Leos Carax.
L'égérie fragile et vibrante du premier film de Leos Carax n'a cessé tout au long de sa carrière de fréquenter le cinéma d'auteur. Mireille Perrier est révélée au public grâce à Leos Carax qui lui propose le rôle principal de son premier long métrage, Boy Meets Girl (1984). Dans le noir et blanc de ce film générationnel, elle incarne face à Denis Lavant le spleen de Mireille, amoureuse désespérée. Par fidélité, Carax lui confie deux ans plus tard un petit rôle dans Mauvais sang (1986) Elle rejoint ensuite, dans un rôle de comédienne sans scénario, l'univers de Philippe Garrel pour Elle a passé tant d'heures sous les sunlights (1984). Ils tourneront à nouveau ensemble J'entends plus la guitare (1991).
Toujours fidèle au cinéma d'auteur, elle s'illustre en Allemagne sous la direction de Michel Kaptur et Monique Dartunne : elle incarne Edith, la jeune française venue monter le film de son amie dans High Speed (1985). Tandis qu'Alain Bergala en fait la vedette de Où que tu sois (1987). Claire Denis lui offre ensuite le rôle principal, son double, dans son premier film très autobiographique, Chocolat (1988), souvenirs de son enfance en Afrique.
Elle incarne ensuite la jeune normalienne sûre de son avenir, tombée amoureuse d'un traînard dans le premier film d'Eric Rochant, Un monde sans pitié (1988) qui obtient un gros succès. Mireille Perrier aime construire ses personnages en complicité avec le metteur en scène et avoue se nourrir de l'ambiance des plateaux pour enrichir ses interprétations. Après une de ses rares embardées dans le cinéma grand public (le polar Netchaëv est de retour, Jacques Deray, 1991), elle participe à Toto le héros (1991) du Belge Jaco Van Dormael et séduit, en élève de danse espagnole, le narrateur de La Sévillane (1991), seconde réalisation burlesque et tendre du romancier Jean-Philippe Toussaint qu'elle retrouvera pour le tout aussi singulier La Patinoire en 1998 où elle incarne l'assistante en patins à glace du metteur en scène de cette drôle d'histoire de film en tournage.
Mère confrontée à la découverte des abus de son mari sur leur petite fille dans l'intense L'Ombre du doute (Aline Issermann, 1993), elle confirme son statut d'icône du cinéma d'auteur en participant à des films israéliens (Golem, l'esprit de l'exil, Amos Gitaï, 1992), portugais ( Tres irmaos, Teresa Villaverde, 1994) ou au premier essai très politique du cinéaste français d'origine roumaine Radu Mihaileanu, Trahir (1993).
Si sa carrière ralentit ensuite, Mireille Perrier trouve encore de beaux rôles à la fin de la décennie comme celui de patronne d'un bistrot breton dans Le Comptoir (Sophie Tatischeff, 1998) ou celui de la femme séduisant un ami de son fils dans Un dérangement considérable (Bernard Stora, 1999). Elle se fait ensuite très rare, apparaissant à Auschwitz dans le bouleversant La Petite Prairie aux bouleaux (2003) de Marceline Loridan-Ivens, campant une contrôleuse de chemins de fer dans le radical Les Mains vides (2003) de Marc Recha, se glissant parmi les lecteurs de la méditation de Vincent Dieutre autour du jansénisme qu'est Fragments sur la grâce (2006), elle est aussi une des passagères en transit d'Orly (2010) de la jeune réalisatrice allemande Angela Schanelec.
Plus discrète que jamais, elle illumine un instant de son charme gracile le premier film de Judith Godrèche (Toutes les filles pleurent, 2010) et fait preuve d'une force inattendue en flic dans le thriller A bout portant (Fred Cavayé, 2010).
De formation théâtrale, Mireille Perrier a participé en 1984 au Festival d'Avignon en mettant en scène Les Burgraves de Victor Hugo. Dans les années 1990, elle interprété quelques classiques (Shakespeare, Marivaux, Claudel, Gorki) mais surtout des auteurs contemporains, de Jean-Luc Lagarce (J'étais dans ma maison et j'attendais que la pluie vienne, 2004) que Yasmina Reza (Conversations après un enterrement, 2006), Henry Bauchau que Patrick Chamoiseau. Elle a été dirigée par Laurent Pelly, Philippe Ogouz, Joël Jouanneau mais aussi Amos Gitaï. Elle a elle-même mis en scène et interprété Anna Politovskaïa : non rééducable (2009) de Stefano Massini, et a co-écrit (avec Jean Ziegler), mis en scène et interprété J'habite une blessure sacrée (2012).
Pour la télévision, elle joue notamment dans Jeux d'enfants (Michel Léviant, 1993), Dancing nuage (Irène Jouanet, 1995), Les Petites Mains (Lou Jeunet, 2001), L'Année des grandes filles (Jacques Renard, 2002), La Surprise (Alain Tasma, 2007), Fracture (Alain Tasma, 2010). Elle est aussi apparue dans des épisodes des séries La Kiné (2002) et La Crim' (2004).
En 1990-1991, elle préside la commission court-métrage du CNC.
Courts métrages 1996 | Je suis venu te dire | Laetitia Masson |
| 1997 | Comptoir (Le) | Sophie Tatischeff |
| 2010 | 63 regards | Christophe Pellet |
| 2013 | Seul, le feu | Christophe Pellet |
| 2014 | Exoplanète | Christophe Pellet |
| 2014 | Yeux brûlés (Les) | Laurent Roth |
| 2016 | Burning Bridges | Christophe Pellet |
Longs métrages| 1982 | Bête noire (La) | Patrick Chaput |
| 1984 | Boy Meets Girl | Leos Carax |
| 1985 | Elle a passé tant d'heures sous les sunlights | Philippe Garrel |
| 1985 | Gardien de la nuit | Jean-Pierre Limosin |
| 1985 | High speed | Monique Dartonne, Michel Kaptur |
| 1985 | Jour et nuit | Jean-Bernard Menoud |
| 1986 | Mauvais sang | Leos Carax |
| 1986 | Où que tu sois | Alain Bergala |
| 1987 | Vallée des anges (La) | Aline Issermann |
| 1988 | Chocolat | Claire Denis |
| 1988 | Un monde sans pitié | Eric Rochant |
| 1990 | Entraînement du champion avant la course (L') | Bernard Favre |
| 1990 | J'entends plus la guitare | Philippe Garrel |
| 1990 | Netchaiev est de retour | Jacques Deray |
| 1990 | Toto le héros | Jaco Van Dormael |
| 1991 | Golem, l'esprit de l'exil | Amos Gitai |
| 1991 | Trahir | Radu Mihaileanu |
| 1992 | Ombre du doute (L') | Aline Issermann |
| 1992 | Sévillane (La) | Jean-Philippe Toussaint |
| 1993 | Tres irmàos | Teresa Villaverde |
| 1995 | Krim | Ahmed Bouchaâla |
| 1997 | A vendre | Laetitia Masson |
| 1997 | Fin de siècle | Claude Champion |
| 1998 | Patinoire (La) | Jean-Philippe Toussaint |
| 1998 | Un dérangement considérable | Bernard Stora |
| 2002 | Mains vides (Les) | Marc Recha |
| 2004 | Courage d'aimer (Le) | Claude Lelouch |
| 2004 | Genre humain : Les Parisiens (Le) | Claude Lelouch |
| 2005 | Fragments sur la grâce | Vincent Dieutre |
| 2006 | A l'est de moi | Bojena Horackova |
| 2006 | Des Indes à la planète Mars | Christian Merlhiot, Matthieu Orléan |
| 2007 | Homme qui marche (L') | Aurélia Georges |
| 2008 | Toutes les filles pleurent | Judith Godrèche |
| 2009 | Guerre des fils de lumière contre les fils des ténèbres (La) | Amos Gitai |
| 2009 | Orly | Angela Schanelec |
| 2010 | A bout portant | Fred Cavayé |
| 2010 | Auf der Suche [Looking for Simon] | Jan Krüger |
| 2011 | Comme un homme | Safy Nebbou |
| 2013 | Qu'Allah bénisse la France | Abd Al Malik |
| 2014 | Nos femmes | Richard Berry |
| 2015 | Dans la forêt | Gilles Marchand |
| 2015 | Pris de court | Emmanuelle Cuau |
| 2017 | Tout ce qu'il me reste de la révolution | Judith Davis |
| 2018 | Camille | Boris Lojkine |