Otec zemřel, když jí byly čtyři roky. Za války pobývala s bratrem a matkou, která byla porodní asistentkou, u známých na venkově v Normandii, kde prožila invazi spojeneckých vojsk.

Už v dětství ji přitahovalo divadlo, ale po vzoru matky se nejprve stala zdravotní sestrou. Při zaměstnání navštěvovala dramatické kurzy Henryho Bosca a Jeana Meyera, než začala v roce 1949 studovat herectví u Henriho Rollana na pařížské Konzervatoři.

Po večerech hrála na malých pařížských scénách a zároveň vystupovala jako tanečnice v kabaretech. První divadelní angažmá absolvovala v letech 1954-57 v Comédii Française, na jejíž scéně slavila v roce 1956 úspěch ve hře Jeana Cocteaua Psací stroj, a téhož roku se stala laureátkou Ceny Suzanne Bianchettiové jako herecká naděje za roli Gisely, která pomáhá trojici studentů vydírat profesora, v dramatu Muž se zlatými klíči (r. L. Joannon).

Od pol. 50. let sbírala zkušenosti před film. kamerou, kde se však musela spokojovat pouze s epizodními rolemi v nepříliš zdařilých filmech.

První velké příležitosti jí poskytl teprve italský režisér Luchino Visconti, když ji v roce 1958 vybral za partnerku Jeanu Maraisovi do své inscenace hry Williama Gibsona Dva na houpačce a krátce nato jí svěřil roli Maggie ve hře Arthura Millera Po pádu. Obsadil ji rovněž do svého slavného filmu, sociálního dramatu Rocco a jeho bratři, v němž ztělesnila nešťastnou milánskou prostitutku Naďu, která se marně snaží vymanit z periferie společnosti.

Během 60. let působila střídavě ve Francii a Itálii, kde pod vedením významných tvůrců vytvořila několik portrétů rozporuplných mladých žen pochybných charakterů, jimž osud příliš nepřeje, a které neoplývají ani atraktivním vzhledem, ani se nevyznačují psychickou a intelektuální výlučností.

Mezinárodní úspěch v podobě Volpiho poháru na MFF v Benátkách 1965 jí přinesla úloha osamělé Kay, prožívající uprostřed New Yorku krátké citové vzplanutí k francouzskému herci (Maurice Ronet), v komorním melodramatu podle románu Georgese Simenona Tři pokoje na Manhattanu (r. M. Carné).

Prudký vzestup její kariéry způsobila koncem 60. let úloha zklamané Catherine Collombsové, jejíž manžel-ambiciózní TV reportér (Yves Montand) ji podvádí s mladou Američankou (Candice Bergenová), v melodramatu Žít a užít (r. C. Lelouch).

V následujícím desetiletí se stala jednou z nejoblíbenějších francouzských hereček díky postavám moderních emancipovaných žen, které s inteligencí, citem i smyslem pro trpký humor přemáhají složitosti života, žen povahově vyhraněných, rozhodných a energických, jindy zas rozmarných, povrchních a lehkomyslných, ale také nešťastných a trpících: profesorka Danièle Guénotová, která se zamiluje do svého žáka, v dramatu podle skutečné události Umřít na lásku (r. A. Cayatte); staropanensky odměřená a citově vyprahlá Muriel Bouchonová, s níž se během krátkého pobytu v lázeňském městečku sblíží stejně osamělý starý mládenec (Philippe Noiret), v komorním příběhu Stará panna (r. J.-P. Blanc); zoufalá matka Madeleine Girardová, pátrající po příčinách smrti své unesené dcery, v psychologicko-kriminálním dramatu Prožít si své peklo (r. A. Cayatte).

Působivý výkon, oceněný Césarem 1975, podala v roli renomované lékařky Françoise Gaillandové, o jejímž neuspořádaném manželství a boji se zákeřnou chorobou vypráví psychologické drama Nejcennější co mám (r. J.-L. Bertucelli).

Ke zvýšení její popularity přispěla řada ztřeštěných komedií (Erotissimo, Novicky, Jeden hot a druhý čehý, Něžné kuře, Sukničkář, Ukradli torzo Jupitera), z nichž mnohé se však svými kvalitami nevymykaly žánrovému standardu.

Poč. 80. let se A. G. ocitla v osobní krizi, neboť divadlo Casino de Paris, které si pronajala se svým partnerem, scenáristou, textařem, hudebním a film. režisérem Bobem Decoutem, zcela finančně zkrachovalo.

Pomlouvačné útoky tisku zpochybňující její uměleckou poctivost a problémy s vlastní dcerou Giulií způsobily její několikaletou tvůrčí odmlku. Ačkoliv její návrat před kameru nevyvolal žádnou senzaci, role, které jí nabídli začínající režiséři, ji zaujaly natolik, že se rozhodla jejich zajímavé filmy (Černá listina, Vzpomínky, vzpomínky, Sbohem, jezevče) svým jménem zaštítit a zaručit tak částečně jejich diváckou úspěšnost.

Césarem 1995 byl oceněn její výkon ve vedlejší roli paní Thénardierové ve zmodernizovaném film. přepisu románu Victora Huga Bídníci 20. století (r. C. Lelouch).

Na podzim 1993 pobývala v Praze, kde natáčela TV seriál z vězeňského prostředí. Byla oficiálním hostem MFF Artfilm v Trenčanských Teplicích 1999 a MF dětského filmu ve Zlíně 2000.

Pro ČTV o ní natočili Rudolf Tesáček a Jiří Žák v cyklu Francouzské rozhovory hodinový dokument s názvem Annie Girardotová, interview (1999).

Je autorkou autobiografické knihy Vivre d'aimer (1989, Žít láskou). V letech 1962-80 byla provdána za italského herce Renata Salvatoriho, po jehož boku účinkovala v několika filmech (Rocco a jeho bratři, Smog, Nejkratší den, Stalo se v Turíně).

Annie Girardor trpěla v posledních letech Alzheimerovou chorobou, zemřela v pondělí 28. 2. 2011 ve věku 79 let.