Allieva alla Scuola nazionale superiore delle arti e delle tecniche del teatro, dal 1949 fa apparizioni, la sera, nei cabaret, a Montmartre, con il nome di Annie Girard e contemporaneamente partecipa a riviste. Nel luglio 1954 esce dal conservatorio con due premi ed è ingaggiata poco dopo alla Comédie-Française. La sua interpretazione in La machine à écrire nel 1956 è notata in particolare da Jean Cocteau, che vede in lei «il più bel temperamento drammatico del dopoguerra». Comincia a recitare nel cinema nel 1956, quando debutta nel film Treize à table, per il quale vince il Prix Suzanne Bianchetti, mentre nel 1977 ottiene il Premio César come miglior attrice, per la sua interpretazione nel film Docteur Françoise Gailland. Appare nel film del 1960 Rocco e i suoi fratellidove conosce l'attore Renato Salvatori, in seguito suo marito nella vita reale. Durante gli anni settanta partecipa a film come Les feux de la chandeleur, La Gifle e La Zizanie. Nel 2002 viene premiata con il premio César per la migliore attrice non protagonista per il suo ruolo nel film La pianista. Il 21 settembre 2008 il periodico francese Paris Match ha rivelato che Annie Girardot era affetta dal Morbo di Alzheimer. La figlia Giulia Salvatori ha girato un documentario in cui vengono svelati i retroscena dell'ultimo set, con la necessità dei suggerimenti all'attrice poiché questa non riusciva più a ricordare le battute. È scomparsa il 28 febbraio 2011 all'età di 79 anni ed è sepolta nel cimitero parigino di Père Lachaise.