Marie-Christine Barrault a joué dans plus de cinquante films, quarante téléfilms et quarante pièces de théâtre tout au long de sa carrière française et internationale. Encouragée par Maurice Béjart, et son oncle Jean-Louis Barrault elle débute sa carrière au théâtre après avoir étudié au Cours Simon puis au Conservatoire d’art dramatique au début des années 60. Ses deux mentors la dirigeront alternativement dans Le Silence et le Mensonge (Nathalie Sarraute) ou La Tentation de saint Antoine et Messe pour le temps présent (Maurice Béjart) en 1966 et 1967.
En 1969, elle apparaît au cinéma dans Ma nuit chez Maud d’Éric Rohmer. Réalisateur qu’elle retrouvera en 1972 dans L’Amour l’après-midi et en 1978 pour Perceval le Gallois. En 1975, elle tient le rôle principal de Cousin, Cousine aux côtés de Victor Lanoux et Guy Marchand : elle sera nommée à l’oscar de la meilleure actrice en 1977.
Dans les années 80, elle sera dirigée par Woody Allen (Stardust memories), Andrzej Wajda (Un amour en Allemagne), Manoel de Oliveira (Le Soulier de satin) ou encore Denys Arcand (Jésus de Montréal). Dans les deux décennies suivantes, elle tourne avec Pascal Thomas (La Dilettante, 1999) ou Christophe Honoré (Non ma fille, tu n’iras pas danser 2010).
Elle est cependant très active sur les planches, ajoutant à son répertoire des pièces de Tennessee Williams, Marguerite Duras ou encore Françoise Chandernagor. On la voit également beaucoup à la télévision où elle tourne notamment sous la direction de Roger Vadim. En 2014, elle effectue un retour remarqué sur petit écran dans la mini-série Jusqu’au dernier ainsi que dans Scènes de ménage.