Figlia di un'attrice e di uno scultore, direttore di teatro. Studia alla Scuola Nazionale d'Arte Drammatica della capitale francese. Dopo il diploma, muove i primi passi a teatro e ottiene piccole parti nel cinema. A soli ventitré anni, nel 1988, si fa notare dalla critica nella sua interpretazione ne The Unbearable Lightness of Being (L'insostenibile leggerezza dell'essere) di Philip Kaufman.

La sua grande carica di passionalità, esplode quattro anni dopo nel film di Luis Malle, Il Danno, a fianco di uno straordinario Jeremy Irons. È un successo internazionale. E il grande regista Krzysztof Kieslowski la vuole nella sua trilogia dedicata ai toni della bandiera francese: a cominciare da Tre colori: Blu, del 1993, Rosso del 1994 e Bianco, ancora del 1994. La sua carriera si avvia ad un grande successo. Un anno dopo, viene scelta come eroina del film francese L'Ussaro sul Tetto (di Jean Paul Rappenau), che si rivela la pellicola più costosa della storia del cinema d'oltralpe: 35 milioni di dollari. L'anno 1996, è quello del suo grande trionfo. Accanto al Ralph Fiennes recita nel film di Anthony Minghella, Il Paziente Inglese. La pellicola fa incetta di premi, tra i quali l'Oscar come miglior attrice non protagonista, che va appunto a Juliette Binoche.

Tra le sue ultime interpretazioni: Alice e Martin (di André Téchiné, del 1998); L'amore che non muore (di Patrice Leconte, 2000) e Storie del controverso regista austriaco Michael Haneke. In questo caso Juliette Binoche ha scelto di interpretare un piccolo film d'autore, un autore "della pasta di Bresson. Per questo mi sono fidata ciecamente".

Con il film Chocolat (di Lasse Hallström) è candidata all'Oscar 2001 quale migliore attrice protagonista, categoria che vede trionfare Julia Roberts.

Dice di lei il regista Jean-Paul Rappeneau: "Juliette non aveva mai girato un film in costume (L'Ussaro sul tetto ndr).
Si è calata nel suo ruolo come fa sempre, con una bravura senza pari. Penso che ogni cineasta che ha lavorato con lei dovrebbe esserne fiero, come io lo sono: perché è la più grande".