De ses parents comédiens, Anouk Aimée garde le goût de la scène et, après des études entre la Grande-Bretagne et la France, elle suit des cours de danse et de comédie.
Après deux apparitions dans La Maison sous la mer (1946) de Henri Calef, dont elle garde le prénom du personnage, " Anouk ", puis dans le film inachevé de Marcel Carné, La Fleur de l'âge (1947), Anouk Aimée s'illustre, en se baignant nue, dans Les Amants de Vérone (1948) d'André Cayatte, coécrit avec Jacques Prévert. Ce dernier lui suggérera de prendre le nom " Aimée ". De cette apparition pleine de grâce et de pudeur, elle tire une certaine notoriété qui la mène à interpréter l'héroïne du premier film d'Alexandre Astruc, Les Crimes de l'amour : Le Rideau cramoisi (1952) après avoir joué en Grande-Bretagne dans La Salamandre d'or (1950) de Ronald Neame. Astruc fait de nouveau appel à elle pour son second film, Les Mauvaises rencontres (1955), mais déjà d'autres cinéastes européens la demandent. Après la Grande-Bretagne où elle tourne sous la direction d'Harold French dans L'Homme qui regardait passer les trains (1952), on la retrouve en Allemagne où elle joue dans Nina (1956) de Rudolf Jugert puis dans L'Amour ne meurt jamais (1956) de O.W. Fischer. De retour en France, elle interprète la compagne de Modigliani dans Montparnasse 19 (1957) de Jacques Becker et joue dans La tête contre les murs (1958) de Georges Franju. Après un passage à vide, elle gagne l'Italie où Federico Fellini la met en scène dans le rôle d'une femme du monde névrosée de La Dolce Vita (1959). Elle tourne également sous la direction de Jean-Pierre Mocky dans Les Dragueurs (1959) et de Philippe de Broca dans Le Farceur (1960). La carrière d'Anouk Aimé est alors relancée. Dans Lola (1961) de Jacques Demy, et dans Huit et demi (1962) de Fellini, elle incarne une beauté pure presque inaccessible. Elle joue indifféremment Sodome et Gomorrhe (1961) de Sergio Leone et Robert Aldrich ou Les Grands chemins (1962) de Christian Marquand. Après le succès d'Un homme et une femme (1965) de Claude Lelouch qui lui vaut le Golden Globe de la Meilleure actrice en 1967, on la voit dans Un soir... un train (1967) d'André Delvaux, puis elle part tourner aux Etats-Unis dans The Model shop (1968) de Jacques Demy, Le Rendez-vous (1969) de Sidney Lumet et Justine (1968) de George Cukor. Après avoir disparu des écrans plusieurs années, elle revient au cinéma mais de façon épisodique. Vieille fille au bord de la folie dans Le Saut dans le vide (1979) de Marco Bellocchio, rôle pour lequel elle obtient le Prix d'interprétation féminine au Festival de Cannes, puis elle incarne l'épouse du personnage interprété par Ugo Tognazzi dans La tragédie d'un homme ridicule (1980) de Bernardo Bertolucci. Elle retrouve Trintignant et Lelouch pour Un homme et une femme : vingt ans déjà (1985). Depuis, elle est apparue dans Rupture(s) (1992) de Christine Citti, Les Marmottes (1993) d'Elie Chouraqui, Prêt-à-porter (1994) de Robert Altman, I love L.A. (1997) de Mika Kaurismäki ou encore Ils se marièrent et eurent beaucoup d'enfants (2003) d'Yvan Attal.
Anouk Aimé joue au théâtre dans Sud (1953) de Julien Green et Love letters (1990-2008) d'Albert Ramsdell Gurney. Elle joue également dans plusieurs films pour la télévision comme L'amour maudit de Leisenblog (1991) d'Edouard Molinaro ou L'île bleue (2001) de Nadine Trintignant.