Figlia di un ufficiale di cavalleria, Governatore del Palazzo Grimalfi nel Principato di Monaco, Fanny Ardant trascorre la giovinezza viaggiando in giro per l'Europa. Studia Scienze Politiche nella sezione Relazioni Internazionali, cercando di orientare la sua carriera verso l'attività diplomatica. Solo negli anni '70 Fanny decide di muovere i primi passi verso la carriera di attrice iscrivendosi al corso di Arte Drammatica di Périmony a Parigi. Esordisce quindi con alcune produzioni teatrali e serie televisive (Les dames de la côté di Nina Companeez) per approdare finalmente al cinema nel 1979 con un film di Alais Jessua, L'uomo dei cani.
Intorno agli anni '80 si può datare il vero consolidamento della carriera di attrice, in seguito all'incontro con Francois Truffaut, il quale si innamora di lei e la sceglie come interprete di alcuni dei suoi piu bei film, La signora della porta accanto del 1981 e Finalmente domenica! del 1983. Nel 1981 Fanny Ardant sposa Francois Truffaut, precedendo solo di tre anni la morte del celeberrimo artista francese. Da questo amore nasce una figlia, Josephine Truffaut.
Subito dopo la morte del marito, Fanny interpreta ruoli sempre più ricercati, come L'amour à mort di Alain Resnais o Desiderio di Anna Maria Tatò, entrambi del 1984.
Anche un altro grande regista italiano la nota e la sceglie come interprete per i suoi film: è con Ettore Scola che sarà nel cast de La Famiglia, accanto a Vittorio Gassman e Stefania Sandrelli, e ne La Cena. Nel 1994 Fanny riceve finalmente la sua prima nomination al premio César grazie al film Il colonello Chabert, interpretato accanto a Gérard Depardieu, altro grande amore dell'affascinante attrice francese, conosciuto agli esordi della propria carriera durante le riprese del film di Truffaut La signora della porta accanto.
Con questo film l'attrice riconquista fama e celebrità nei confronti del grande pubblico, arrivando perfino ad Hollywood, dove è chiamata ad interpretare il remake di Sabrina nel 1995, al fianco di Harrison Ford. Allo stesso anno si può datare un'altra collaborazione con un grande regista, Michelangelo Antonioni, per il quale interpreta un ruolo nel film del 1995 Al di là delle nuvole e che nel 1996 le fa conquistare il suo primo César con Di giorno e di notte .
Nel 2001 Franco Zeffirelli le affida il ruolo di Maria Callas nel celebre film Callas Forever, dopo averla ammirata nelle stesse vesti in un musical teatrale del 1997.
Nel 2002, alla maturità della sua carriera, già madre di tre bambine, Lumir, Josephine e la piccola Baladine, Fanny Ardant interpreta un ruolo nel film tutto al femminile 8 donne e un mistero, con Catherine Deneuve, Isabelle Huppert e Emmanuelle Béart. Nel 2007, invece, interpreta il ruolo di Caterina nel film di Vincenzo Marra L'ora di punta.
Tra le ultime interpretazioni troviamo La belle époque (2019) di Nicolas Bedos, che le fa vincere il suo secondo Premio César, questa volta alla migliore attrice non protagonista, I giovani amanti (2021) di Carine Tardieu e Amusia (2023) di Marescotti Ruspoli.