Isabelle Yasmine Adjani Párizsban született algériai apa és német anya gyermekeként, majd a francia fővároshoz közeli Gennevilliers-ben nőtt fel. Miután tizenkét éves korában megnyert egy iskolai szavalóversenyt, egy amatőr színtársulat tagja lett. Hamarosan a neves színész-rendező, Robert Hossein ajánlott számára szerepet, tizenhét évesen pedig a tekintélyes párizsi Comédie-Française színpadán alakította Ágnest a Nők iskolája című Molière-darabban.
A filmvásznon 1970-ben debütált Bernard Toublanc-Michel A kis szökevény című filmjének főszerepében. Több kisebb filmszerep után szerény sikert aratott az 1974-es A pofon című filmmel,
Az Adele Hugo, Victor Hugo francia író lányának naplóján alapuló filmben nyújtott alakítása meghozta számára a nemzetközi hírnevet, a legjobb női főszereplőnek járó César mellett Oscar-díjra is nominálták az akkor húszéves színésznőt, ezzel akkoriban az Oscar-díjak történetének legfiatalabb női jelöltje lett.
Ezt követően sorra halmozták el ajánlatokkal, azonban szerepeit gondosan megválogatta. Főszerepet játszott Roman Polanski 1976-ban bemutatott A lakó című thrillerében, majd Ryan O'Neal partnere volt a Walter Hill rendezte Gengszterek sofőrjében (1978), és ő alakította Lucyt Werner Herzog 1979-es Nosferatu-feldolgozásában.
1981-ben megkapta a Cannes-i Filmfesztivál legjobb női főszereplőnek járó díját a Kvartett című Merchant Ivory-filmben és Andrzej Zulawski Megszállottság című horrorjában nyújtott alakításáért, utóbbiért első César-díját is elnyerte. Két évvel később megkapta a második César-díját is egy bosszúálló nő megformálásáért a Gyilkos nyár című filmben.
1985-ben Luc Besson Metró című krimijében játszott, a következő évben Agnes Varda rendezésében szerepelt a T'as de beauxescaliers, tu sais című rövidfilmben, amelyet a francia filmintézet, a Cinémathéque française 50. évfordulójára készítettek. Második amerikai filmje, az Elaine May rendezte Ishtar című vígjáték megbukott a mozipénztáraknál.
1988-ban társproducere és főszereplője volt a Camille Claudel szobrásznőről szóló alkotásnak, amelyet Bruno Nuytten rendezett. A filmben nyújtott alakításáért ismét César-díjat kapott, és másodszor is Oscar-díjra jelölték, ezzel ő lett az első francia színésznő, akit kétszer is nomináltak a rangos díjra. Öt év kihagyás után, 1993-ban tért vissza a Toxikus botrány főszerepében, a következő évben pályafutása egyik legjelentősebb filmjében, a Szent Bertalan éjszakájáról szóló Margó királynéban játszott főszerepet, amelyért megkapta negyedik César-díját.
1996-ban Az ördög háromszöge című filmben játszott Sharon Stone oldalán, a következő évben pedig az 50. Cannes-i Filmfesztivál zsűrijének elnöke volt, majd pár évre Genfbe költözött, ahol pszichoanalízissel kezdett foglalkozni. 1999-ben Robert Hossein kérésére több mint százszor állt színpadra A kaméliás hölgy című Dumas-darabban.
Visszatért a filmezéshez, és 2002-ben Ellénore grófnőt alakította az Adolphe című filmben, Benjamin Constant regényének filmadaptációjában, majd a Bon Voyage, valamint a Monsieur Ibrahim és a Korán virágai című vígjáték után ismét visszavonult. Hat év kihagyás után főszerepet játszott A szoknya napja (2009) című drámában, amelyért elnyerte ötödik César-díját, ezzel ő a legtöbb César-díjjal büszkélkedő francia színésznő. Ebben a filmben nyújtott alakításáért a Lumière-díjjal is kitüntették.
2018-ban Algériában forgatott, apja szülőföldjén, az ugyancsak algériai származású rendezőnő, Yamina Benguigui Soeurs (Nővérek) című filmjében állt a kamerák elé. 2022-ben a Peter von Kant című drámában és a Veszedelmes vonzódás című vígjátékban játszott, legutóbb a Netflixen futó Tolvajnők című francia akciófilmben és A tökéletes pár című minisorozatban tűnt fel.
Filmes munkásságáért 2010-ben a francia Becsületrend lovagjává ütötték, 2014-ben pedig a Francia Köztársaság Művészeti és Irodalmi Rendjének parancsnoki fokozatával tüntették ki. Romantikus kapcsolatban állt Bruno Nuyttennel, fiuk (Barnabé Nuytten zeneszerző, színész) 1979-ben született. Később Warren Beattyvel alkotott egy párt, majd Daniel Day-Lewisszal állt kapcsolatban, de ennek vége lett még gyermekük (Gabriel-Kane Day-Lewis modell, zenész) 1995-ös születése előtt. A kétezres évek elején jegyben járt Jean-Michel Jarre francia zenésszel, azonban 2004-ben elváltak útjaik.
Isabelle Adjani általában kerüli a sajtót, magánéletéről keveset oszt meg. A nyolcvanas évek végén elterjedt róla az a pletyka, hogy AIDS-ben elhunyt, ezért kénytelen volt a televízióban megcáfolni halálhírét. 2010-ben dokumentumfilm készült életéről. Az utóbbi években bírósági perei miatt került az újságok hasábjaira, a hatóságok szerint 2013-ban, 2016-ban és 2017-ben is adócsalást követett el, ezért 2023-ban két év felfüggesztett börtönbüntetésre és 250 ezer eurós pénzbírságra ítélték adócsalás és pénzmosás miatt.
