Nata a Brema da una famiglia di origine russa, Barbara Sukowa ha studiato recitazione al Max-Reinhardt-Seminar, debuttando in teatro nel 1971 a Berlino nella produzione di Peter Handke "Der Ritt über den Bodensee". In seguito ha lavorato in teatro a Francoforte e Amburgo, in collaborazione con registi come Luc Bondy e Ivan Nagel.
Oltre all'attività teatrale, ha iniziato a lavorare nel cinema per la corrente del cosiddetto Nuovo Cinema Tedesco, diventando una delle attrici di Rainer Werner Fassbinder e Margarethe von Trotta: la sua interpretazione nel film della regista Anni di piombo (1981) le è valsa una menzione alla Mostra del cinema di Venezia. Ha raggiunto il successo nel 1980 interpretando per la televisione la miniserie televisiva Berlin Alexanderplatz di Rainer Werner Fassbinder.
È stata inoltre diretta da Michael Cimino nel film del 1987 Il siciliano. Sposata con l'artista e regista Robert Longo, che l'ha diretta nel 1995 in Johnny Mnemonic, ha avuto anche esperienze come cantante.
Dopo aver partecipato a produzioni internazionali come M. Butterfly di Cronenberg e Romance & Cigarettes di Turturro, recentemente è tornata a lavorare con la von Trotta nei film Vision e Hannah Arendt.
Diretta ancora una volta da Margarethe von Trotta in The Misplaced World (2015), nel 2021 è protagonista del film Due di Filippo Meneghetti. Due anni dopo partecipa al film di Ben Affleck Air - La storia del grande salto e a quello di Mary Harron su Salvador Dalì Daliland.