Moreau studiowała w konserwatorium w Paryżu. Karierę rozpoczęła w wieku 20 lat od gry na deskach Comedie-Francaise i teatru Jeana Vilara. Występowała przeważnie w repertuarze klasycznym. W filmie debiutowała w 1949 roku.
Najbardziej znane filmy, w których zagrała to ,,Windą na szafot” i ,,Kochankowie”. w rezyserii Louisa Malle'a. Dzięki tym rolom stała się symbolem seksu początku lat 60. ub. wieku.
W 1965 roku, wspólnie z Brigitte Bardot zagrała w filmie Viva Maria!, który okazał się wielkim sukcesem komercyjnym.
