Révélée par son rôle de la danseuse Lola dans le film du même nom et sa suite du cinéaste Jacques Demy, elle devint une des muses du cinéaste avec Catherine Deneuve et Danielle Darrieux. Elle tourna beaucoup dans les années 60, en particulier avec Federico Fellini qui l’engagea pour jouer le rôle central de Maddalena dans La dolce vita, puis lui donna le rôle tout aussi important de Luisa dans Huit et demi avec Marcello Mastroianni pour partenaire.

En 1952, elle prêta sa voix à la bergère dans la première version du Roi et l’Oiseau de Paul Grimault. Elle obtint une reconnaissance internationale pour son rôle d’Anne Gauthier dans la trilogie Un homme et une femme (1966, 1986 et 2019) de Claude Lelouch. Elle fut nommée au César de la meilleure actrice en 1979 pour Mon premier amour avant de recevoir un César d’honneur pour l’ensemble de sa carrière, vingt-trois ans plus tard.

Icône de la Nouvelle Vague, Anouk Aimée tourna sous la direction de nombreux metteurs en scène. Mariée quatre fois (la troisième avec le compositeur Pierre Barouh), elle eut une brève relation avec les acteurs Warren Beatty et Omar Sharif.

Inhumée dans la plus stricte intimité, son nom n’est pas porté sur la tombe, qui se signale par l’identité de sa mère, Geneviève SORYA (Geneviève Durand : 1912-2008), qui tourna une dizaine de film entre 1935 et 1982.