Aînée des 8 enfants que Charles Chaplin eut avec Oona , fille du dramaturge Eugene O'Neill, la petite Geraldine fait une apparition, aux côtés de ses frères et soeurs, dans Les Feux de la rampe, réalisé par son père en 1952. Après avoir grandi entre Hollywood, la Suisse et l'Italie, l'adolescente au tempérament rebelle intègre la Royal Ballet School de Londres. A l'affiche de Cendrillon, spectacle de danse monté à Paris en 1963, elle trouve un an plus tard son premier rôle au cinéma dans Par un beau matin d'été de Deray. Mais le film qui lance la carrière de Geraldine Chaplin est Le Docteur Jivago de David Lean (1965), dans lequel elle incarne la douce épouse d'Omar Sharif -avec à la clé une nomination au Golden Globe du Meilleur espoir féminin. Durant le tournage, en Espagne, de cette fresque aux cinq Oscars, Geraldine Chaplin rencontre celui qui deviendra son réalisateur-fétiche, et son compagnon pendant plus de dix ans : Carlos Saura. Héroine de tous les longs métrages du maître espagnol, de Peppermint frappé (1967) à Maman a cent ans (1979), souvent dans des rôles de femme tourmentée, entre crise conjugale et poids des traumas de l'enfance, l'actrice co-écrit en 1969 le scénario de La Madriguera. Cette collaboration culmine avec Cria Cuervos, huis clos teinté d'onirisme qui remporte un succès international en 1976. Dans un genre très différent, on la retrouve la même année en reine d'Autriche dans Les Trois Mousquetaires. Les années 70 sont également marquées par sa rencontre avec Altman, qui fait d'elle une pièce maîtresse de ses puzzles Nashville et Un mariage -la comédienne tournera aussi avec un disciple du grand cinéaste américain : Alan Rudolph.En France, si elle donne en 1971 la réplique à De Funès (Sur un arbre perché), Géraldine Chaplin inspire surtout les auteurs les plus singuliers, comme Resnais et Rivette, qui la dirigent chacun à deux reprises, exploitant à mervelle son mélange d'excentricité et de gravité : citons La Vie est un roman (1983) pour le premier, et L'Amour par terre (1984) pour le second. Vue chez Deville (Le Voyage en douce) et Lelouch (Les Uns et les Autres, 1980), l'actrice au visage émacié campe la mère de Winona Ryder dans Le Temps de l'innocence de Scorsese, et, sur un mode plus comique, la soeur d'Anne Bancroft dans Week-end en famille. En 1992, elle joue le role de sa propre grand-mère dans le biopic que Richard Attenborough consacre à son illustre père. Continuant de tourner régulièrement en Espagne (elle décroche en 2003 le Goya du Meilleur second rôle pour En la ciudad sin limites), celle qui rêvait de devenir ballerine émeut en professeur de danse solitaire dans Parle avec elle d' Almodovar (2002).
