Nata a Parigi nel 1932, vero nome Nicole Francoise Florence Dreyfus, figlia di due attori - Henri Dreyfus (alias Henry Murray) e Genevieve Sorya (nata Genevieve Durand) - debutta giovanissima sul set, appena 13enne in 'La Maison sous la mer' (1946). Il suo personaggio si chiamava Anouk e questo divenne il suo nome d'arte: glielo diede Jacques Pre'vert. La storia è nota. Si incontrarono l'anno successivo sul set di un film di Marcel Carne', 'La Fleur de l'age', in cui lei recitava con Arletty, Serge Reggiani e Martine Carol. Il film rimase incompiuto: una ventina di minuti furono montati e girati per metà, prima che la produzione si fermasse. Rimasero le fotografie di scena di Emile Savitry che ritraevano un'Anouk incantevole, all'epoca molto piena di se', e questo nome: "Aime'e", "perché tutti la amavano", secondo Prevert. Era nata una stella: Anouk Aimée.
Dopo le prime apparizioni minori, si fa notare per qualche valida interpretazione sotto la regia di Andre' Cayatte ('Gli amanti di Verona', 1949) e Alexandre Astruc ('La tenda scarlatta', 1953) prima di raggiungere la consacrazione con Federico Fellini, che la dirige in 'La dolce vita' (1960) e '8' (1963). In Francia ottiene un grande successo diretta da Jacques Demy in 'Lola - Donna di vita' del 1961 (ruolo da lei amatissimo: "Non so più dove inizia Anouk e dove inizia Lola, dove finisce Lola e dove finisce Anouk", diceva ancora cinquant'anni dopo) prima della consacrazione internazionale giunta nel 1966 con 'Un uomo, una donna' di Claude Lelouch, al fianco di Jean-Louis Trintignant e di Pierre Barouh, che fu suo marito fra il 1966 e il 1969.
Seguono 'L'amante perduta', 'Una sera, un treno', entrambi del 1968, e 'Rapporto a quattro' (1969), quest'ultimo diretto dal regista statunitense George Cukor. Chiamata nuovamente da Lelouch a interpretare 'Vivere per vivere' (1967), 'Chissà se lo farei ancora' (1976) e 'Un uomo, una donna oggi' (1987), torna al cinema italiano dopo una lunga assenza nel 1980 con 'Salto nel vuoto' di Marco Bellocchio, grazie al quale vince il Prix d'interpretation feminine al Festival di Cannes, e con 'La tragedia di un uomo ridicolo' (1981) di Bernardo Bertolucci.
Nel 1994 interpreta il ruolo di una stilista in 'Pret-a'-Porter' di Robert Altman, film sul mondo della moda. Nel 2003 le viene assegnato l'Orso d'oro alla carriera al Festival del Cinema di Berlino. Nel 2019 viene nuovamente diretta da Lelouch in 'I migliori anni della nostra vita', terzo episodio dopo il grande successo di 'Un uomo, una donna' (1966), e dopo 'Un uomo, una donna oggi' (1986), sempre al finco di Jean-Louis Trintignant.
Anouk Aimée si è sposata tre volte. La perma con il regista greco Nico Papatakis all'eta' di 19 anni, poi con il musicista Pierre Barouh, conosciuto sul set di 'Un uomo, una donna', per il quale scrisse ed esegui' il famoso ritornello "dabadabada dabadabada", e con l'attore inglese Albert Finney. Ha vissuto con Elie Chouraqui, ha avuto una relazione con Omar Sharif, suo partner in Le Rendez-Vous - tante pagine della sua vita che ha sempre tenuto sotto un velo di mistero, anche se non si è mai vietata di parlarne.