Issue du cours Florent et élève du Conservatoire, Sabine Azéma fait ses débuts au cinéma dans On aura tout vu, réalisé par Georges Lautner en 1978. Elle enchaîne ensuite quelques petits rôles avant de rencontrer celui qui devient son mentor, Alain Resnais. Leur collaboration débute avec La Vie est un roman (1983) pour s'épanouir dans L'Amour à mort (1984), Mélo (1986), Smoking / No Smoking (1993) et On connait la chanson (1995).Sabine Azéma, sollicitée par Bertrand Tavernier à deux reprises (Un dimanche à la campagne en 1984 et La Vie et rien d'autre en 1989), touche à tous les genres. Aussi à l'aise dans les comédies (Le Bonheur est dans le pré, La Bûche, Tanguy) que dans un registre plus grave (La Chambre des officiers de Francois Dupeyron), elle s'impose comme l'une des comédiennes françaises les plus talentueuses.En 2003, Sabine Azéma retrouve Alain Resnais pour Pas sur la bouche, film-choral basé sur une célèbre opérette qui redonne à la comédienne l'occasion de retrouver l'atmposphère musicale de On connait la chanson.
Actrice au jeu décidément éclectique, Sabine Azéma inspire aussi les jeunes réalisateurs : jouant les vamps aux côtés de Rouletabille dans Le Mystère de la chambre jaune de Podalydès (et sa suite en 2005), avant d'être choisie par une autre cinéaste de la nouvelle génération, Noémie Lvovsky (L'Ami de Fred Astaire). Elle cède ensuite à toutes les tentations dans l'hédoniste Peindre ou faire l'amour des frères Larrieu, qu'elle retrouve pour un déjanté Voyage aux Pyrénées en compagnie de Jean-Pierre Darroussin.
Les années suivantes sont, davantage encore que par le passé, celles des retrouvailles : avec son époux Alain Resnais pour Les Herbes folles en 2009 et Vous n'avez encore rien vu en 2012, qui marque leur neuvième collaboration. Jamais deux sans trois, elle remet également ça en 2009 avec les frères Larrieu dans Les Derniers jours du monde. A l'affiche de Donnant, Donnant d'Isabelle Mergault pour lequel elle sort un peu de sa famille de cinéma, l'actrice y donne tout de même la réplique à Daniel Auteuil, qu'elle retrouve par la suite comme metteur en scène dans La Fille du puisatier (2011).
Après avoir tourné dans Aimer, boire et chanter en 2014, le dernier film de Resnais avant sa mort, la comédienne est choisie pour présider le Jury de la Caméra d'Or lors du Festival de Cannes 2015.
