Après une année d'études supérieures de Lettres, Marie-Christine Barrault entre au Cours Simon en 1963 puis est admise au Conservatoire d'Art Dramatique en 1964. Jusqu'en 1968, elle se consacre exclusivement au théâtre, sous les auspices de son oncle, l'illustre Jean-Louis Barrault, et de Maurice Bejart. Elle fait ses premiers pas au cinéma en 1969, lorsqu'Eric Rohmer la choisit pour jouer, aux côtés de Jean-Louis Trintignant, le rôle d'une petite provinciale catholique dans Ma nuit chez Maud.
En 1970, elle donne la réplique à Pierre Richard dans Le Distrait. Elle collabore à nouveau avec Rohmer pour L'Amour l'après-midi, qu'elle retrouvera en 1978 sur le tournage de Perceval le Gallois L'immense succès de Cousin, cousine (particulièrement aux Etats-Unis), en 1975, lui apporte la consécration : elle est citée à l'Oscar de la Meilleure actrice. Après Femme entre chien et loup d'André Delvaux (1979), elle décide alors de donner une nouvelle impulsion à sa carrière en s'installant aux Etats-Unis. Woody Allen lui confie alors le rôle d'Isobel dans Stardust Memories, qu'il a spécialement écrit pour elle.
Avec Les Mots pour le dire, Marie-Christine Barrault cherche à se défaire de l'image de jeune fille sage qu'elle a laissé depuis Ma nuit chez Maud, en acceptant le rôle d'une mère odieuse. Puis celui d'une villageoise stupide et vulgaire dans Un amour en Allemagne d'Andrzej Wajda. Au cours des années 80, elle campe des rôles dans des registres très divers sous la houlette de cinéastes phares : une lune dans Le Soulier de satin de Manoel de Oliveira, ou bien encore le personnage de Madame Verdurin dans l'adaptation d'Un amour de Swann par Volker Schlöndorff.
Mariée avec le producteur Daniel Toscan du Plantier, elle divorce en 1990 pour se remarier avec Roger Vadim, auquel elle restera fidèle jusqu'à son décès en 2000. Depuis une quinzaine d'années, Marie-Christine Barrault se fait plus rare sur le grand écran, se consacrant surtout à des projets pour la télévision qui lui offre de beaux rôles (Marie Curie, une femme honorable en 1990) et le théâtre. Le cinéma continue à la solliciter comme en 1994 avec Bonsoir de Jean-Pierre Mocky ou encore La Dilettante en 1999.
En 2007, elle partage l'affiche de La Disparue de Deauville aux côtés de Christophe Lambert, Sophie Marceau et Robert Hossein.
Marie-Christine Barrault continue toujours de tourner pour le cinéma français, mais pertinemment dans des seconds-rôles de matriarche : elle est Annie, la mère de Chiara Mastroianni dans Non ma fille, tu n’iras pas danser (2009) de Christophe Honoré, la mère de famille qui décède d'un infarctus dans Le Grand Méchant Loup (2011), la mère moralisatrice d'Emmanuelle Devos dans La Vie domestique (2013) ou encore la grand-mère d'une fillette en fugue dans Je m’appelle Hmmmm… (2014). Puis, elle est à l'affiche de L'Art de la fugue (2014) de Brice Cauvin, aux côtés d'Agnès Jaoui, Laurent Lafitte et Guy Marchand.
