Fece la sua prima comparsa nel cinema con Dum-Bom (1953) e nel 1955 fu scelta da Bergman per il ruolo di una tenera adolescente in Sorrisi di una notte d'estate. La commovente malinconia di questa interpretazione trovò una più complessa espressione nel Settimo sigillo (1956) e, in un duplice ruolo, ne Il posto delle fragole (1957). L'attrice mutò poi sorprendentemente il suo stile interpretando un personaggio meno tenero dei precedenti: l'eroina incestuosa del Il letto della sorella (1966), per la regia di Vilgot. Per Bergman sostenne con impeccabile disinvoltura ruoli sempre più complessi in Persona (1967), in Passione (1970) e ne L'adultera (1971). Bibi Andersson è apparsa anche in alcuni film americani: fu la vulnerabile eroina al bando nel selvaggio western di Ralph Nelson, Duello a El Diablo (1966), e con la sua interpretazione conferì uno speciale tono provocatorio a Lettera al Kremlino (1970) di John Huston. Va poi ricordata nell'eccentrico Quintet (1979) di Robert Altman e fra i passeggeri in pericolo di Airport 80 (1979) di David Lowell Rich.
È morta a Stoccolma il 14 aprile 2019, all'età di 83 anni.