Los Angelesben született a Jon Voight és Marcheline Bertrand színészpár gyermekeként. Nem sokkal érkezése után szülei útjai elváltak, anyja nevelte, tizenegy évesen beíratta Lee Strasberg Színházi Intézetébe. A kis színészpalánta tizennégy évesen már első barátjával élt, de a szerelem sem segített depresszióján. Tizenhat évesen belevágott a modellszakmába, szerepelt Meat Loaf és Lenny Kravitz videóklipjeiben, és több reklámfilmben is feltűnt, azonban filmszínésznő szeretett volna lenni.
Hétévesen apja oldalán állt először néhány percre a kamerák elé a Ketten a pácban című vígjátékban. Később keserűen nyilatkozta, hogy Jon Voighttal szinte kizárólag felvevőgépek előtt találkoztak, ott is csak egy-egy jelenet erejéig.
A Cyborg-2 – Üvegárnyék című sci-fiben alakított kisebb szerep után, 1995-ben már főszerepet kapott az Adatrablók című thrillerben Jonny Lee Miller brit színész partnereként, akivel hamarosan összeházasodtak. Frigyük hamar zátonyra futott, Hollywoodban azonban minden ajtó kinyílt előtte. Első Golden Globe-díját 1998-ban vette át Cornelia Wallace szerepéért a George Wallace című tv-filmben, emellett Emmy-díjra is jelölték. Második Golden Globe-díját a következő évben a tragikus sorsú amerikai modell, Gia Carangi életéről szóló, Kifutó a semmibe című alkotásban nyújtott alakításáért nyerte el.
1999-ben főszerepet kapott A csontember című thrillerben Denzel Washington oldalán, majd Winona Ryder partnere volt az Észvesztőben, amelyért elnyerte a legjobb mellékszereplőnek járó Oscar- és Golden Globe-díjat. Az Amerikai Filmakadémia 2013-ban humanitárius szerepvállalásáért a Jean Hersholt-díjjal is kitüntette. Ugyanebben az évben a Vakrepülés című film forgatásán ismerkedett meg az akkor 44 éves Billy Bob Thorntonnal, akivel két évig élt házasságban. Egyiküktől sem állt távol a morbidság, egymás vérét ampullába zárva viselték a nyakukban.
A nemzetközi hírnevet a neves játékadaptáció, a Lara Croft: Tomb Raider (2001) két része hozta meg a számára. A film forgatása közben a háború sújtotta Kambodzsában szembesült először a humanitárius válság hatásaival.
Hazatérve felvette a kapcsolatot az ENSZ Menekültügyi Főbiztosságával (UNHCR), melynek 2001-ben jószolgálati nagykövete lett. 2003-ban az ENSZ-ből tudósító újságírók szövetségétől Világpolgár díjat kapott. A menekült emberek védelmezőjeként 2012-ben kibővített feladatkörrel lett a menekültügyi főbiztos különmegbízottja, az évek során több mint hatvan utazást tett különböző helyszíneken hírnevét és médiára gyakorolt vonzerejét a menekültek ügyének szentelve. 2022-ben azonban lemondott tisztségéről azt nyilatkozva, hogy „itt az ideje, hogy másképp dolgozzam, közvetlenül elkötelezve magam a menekültek és a helyi szervezetek iránt”. Emellett számos egyéb humanitárius – természetvédelemmel, nők és gyermekek jogaival kapcsolatos – erőfeszítéseiről is ismert.
Magánéletében 2004 hozott gyökeres változást, amikor a nagy sikerű Mr. and Mrs. Smith forgatásán találkozott Brad Pitt-tel, akivel egymásba szerettek, közös életet kezdtek.
A Brangelinaként becézett sztárpár tíz év után kötött házasságot, a ceremóniának mind a hat gyerekük – három saját, három örökbe fogadott – részese volt. Azonban két év elteltével Jolie kibékíthetetlen nézeteltérésekre hivatkozva beadta a válókeresetet, majd a gyerekeik felügyelete és pénzügyeik körüli jogi csatározások 2024-ig húzódtak.
2006 közepére Jolie szinte páratlan népszerűségnek örvendett Hollywoodban. Az év nagy filmsikere, Az ügynökség után, amelyben Robert De Niro és Matt Damon volt a partnere, már küszöbön állt az animációs fantasy, a Beowulf bemutatója. 2007-ben Michael Winterbottom filmjében, a Hatalmas szívben játszott, amely elnyerte ugyan a filmkritikusok tetszését, de az Oscar-díjért csak 2008-ban a Clint Eastwood rendezte Elcserélt életek című filmmel tudott újra ringbe szállni. A következő években főként akciófilmekben alakított bérgyilkos- és ügynökszerepeket.
Később átült a rendezői székbe, és 2011-ben született meg a nagyrészt Magyarországon forgatott boszniai háborús dráma, a Vér és méz földjén. 2014-ben szoros barátságot kötött Louis Zamperini amerikai olimpikonnal, akinek életét a Rendíthetetlen című életrajzi drámában dolgozta fel. Három évvel később rangos filmfesztiválokon is versengett a kambodzsai népirtásról szóló Először az apámmal végeztek című filmje, amelyért az Amerikai Filmkritikusok Szövetsége Szólásszabadság-díjjal jutalmazta. Ezt követően Alessandro Baricco Vértelenül című regénye nyomán Olaszországban forgatta a Without Blood háborús drámát, amely a 2024-es Torontói Filmfesztiválon debütált.
Az utóbbi évtizedben producere és főszereplője volt a Disney égisze alatt 2014-ben bemutatott Demónának és 2019-es folytatásának, ezt követően a Brenda Chapman rendezte Jöjj velem című fantasyban tűnt fel, majd Gemma Chan, Salma Hayek és Richard Madden mellett szerepelt az Örökkévalók című Marvel-filmben.
Alakításáért a legjobb színésznőnek járó Golden Globe-ra jelölték.
A hollywoodi sztárnak nemcsak magánélete, hanem egészségi állapota is széles körű nyilvánosságot kapott, amikor 2013-ban bejelentette, hogy mindkét mellét eltávolíttatja, mert egy hibás gén miatt a mellrák kialakulásának kockázatát valószínűsítették nála. (Anyja 2007-ben petefészekrákban hunyt el.) 2015-ben újabb műtéten esett át, petefészkeit és petevezetékeit is eltávolították.
