Geboren wurde die Tochter des bekannten österreichischen Schauspieler-Ehepaars Magda Schneider und Wolf Albach-Retty am 23. September 1938 in Wien. Ihr Debüt als Filmschauspielerin feierte sie 1953 in "Wenn der weiße Flieder wieder blüht" als Filmtochter ihrer Mutter Magda. 1955 drehte Ernst Marischka mit der sechzehnjährigen Romy Schneider und dem zehn Jahre älteren Karlheinz Böhm "Sissi. Mädchenjahre einer Kaiserin" über Elisabeth von Österreich. 1956 und 1957 folgte die Fortsetzung des Erfolgsfilms, "Sissi, die junge Kaiserin" und "Sissi. Schicksalsjahre einer Kaiserin". Der außergewöhnliche Erfolg der Trilogie verschaffte Romy Schneider nicht nur sehr viel Popularität, sondern auch das Image eines „süßen Mädels“, dem sie sich zeitlebens zu entledigen versuchte.

Während der Dreharbeiten zu einer Neuverfilmung von Arthur Schnitzlers „Liebelei“ verliebte sich Romy Schneider 1958 in den drei Jahre älteren französischen Filmschauspieler Alain Delon und verlobte sich 1959 mit ihm.

Durch Delon lernte Romy Schneider den italienischen Regisseur Luchino Visconti (1906 - 1976) kennen, der ihr eine Hauptrolle in dem Theaterstück "Schade, dass du eine Hure bist" anbot, dessen Premiere im Théâtre de Paris im Jahre 1961 ein großer Erfolg wurde. Wenig später wurde Romy Schneider von Orson Welles für seine Literaturverfilmung "Der Prozess" nach dem Roman von Franz Kafka engagiert.

1965 lernte Romy Schneider den vierzehn Jahre älteren Berliner Boulevard-Regisseur und -Schauspieler Harry Meyen kennen. Sie wurden ein Paar und heirateten 1966 – im selben Jahr kam auch Romy Schneiders Sohn David zur Welt. Mit Alain Delon stand Romy Schneider 1968 noch einmal in "Der Swimmingpool" zusammen vor der Kamera.

In den 1970er Jahren drehte Romy Schneider überwiegend in Frankreich, wo sie vom Publikum und den Kritikern als Charakterdarstellerin gefeiert wurde. Zwischen 1969 und 1978 drehte sie fünf Filme mit Claude Sautet, ihrem erklärten Lieblingsregisseur - darunter 1970 „Die Dinge des Lebens“ an der Seite von Michel Piccoli und 1971 „Das Mädchen und der Kommissar“ (1971).

Ein Jahr später übernahm Schneider erneut diejenige Rolle, die für sie in den 1950er Jahren zu Fluch und Segen geworden war: In „Ludwig II.“ verkörperte sie die Kaiserin Elisabeth von Österreich. Doch dieses Mal inszenierte Visconti die „Sissi“ authentisch und Schneider befasste sich während der Vorbereitungen intensiv mit dem wahren Charakter der historischen Figur. Ebenfalls 1972 erschien der Claude Sautets Film „César und Rosalie“ mit Romy Schneider in der Hauptrolle neben Yves Montand.

Künstlerisch stand Romy Schneider Mitte der 1970er Jahre auf dem Höhepunkt ihrer Karriere und arbeitete mit bedeutenden Regisseuren und Schauspielerkollegen wie Richard Burton, Jean-Louis Trintignant, Klaus Kinski und Jane Birkin zusammen.

1973 und 1974 drehte Schneider innerhalb von zehn Monaten fünf Filme. In „Le Train – Nur ein Hauch von Glück“ (1973) spielt sie Anna Kupfer, eine deutsche Jüdin auf der Flucht. Auf die melancholische Romanze „Sommerliebelei“ (1974) folgte „Das wilde Schaf“ (1974), in dem sie eine vernachlässigte Ehefrau verkörpert, die sich auf einen Seitensprung einlässt. Und in der bizarren Komödie „Trio Infernal“ (1974) brilliert Romy Schneider an der Seite von Michel Piccoli und Mascha Gonska als skrupellose und lebenshungrige Mordkomplizin. Für ihre Rolle in Andrej Zulawskis „Nachtblende“ (1975) erhielt sie im April 1976 ihren ersten César als beste Hauptdarstellerin.

1973 trennte Romy Schneider sich von ihrem Mann und zog mit David von Berlin nach Paris. Der anschließende Sorgerechtsstreit mit Harry Meyen wurde medial ausgeschlachtet, im Juni 1975 erfolgte schließlich die Scheidung von Meyen.

1975 heiratete Romy Schneider den neun Jahre jüngeren Daniel Biasini und brachte 1977 ihre Tochter Sarah zur Welt. In dieser Zeit drehte sie wieder für Claude Sautet in „Mado“ (1976) und spielte in der Verfilmung von Heinrich Bölls Roman „Gruppenbild mit Dame“ (1977) die Rolle der Leni Gruyten. Im selben Jahr wurde ihr für „Gruppenbild mit Dame“ das deutsche Filmband in Gold in der Kategorie Beste darstellerische Leistung verliehen.

Nach der Geburt ihres zweiten Kindes arbeitete Schneider zum fünften und letzten Mal mit Claude Sautet zusammen. Für „Eine einfache Geschichte“ (1978) wurde sie bei der Verleihung des César am 3. Februar 1979 erneut als beste Hauptdarstellerin ausgezeichnet.

Im Februar 1981 trennten sich Daniel Biasini und Romy Schneider und der vierzehnjährige David bestand darauf, bei seinem Stiefvater zu bleiben. In dieser schwierigen Zeit musste ihr wegen eines Tumors die rechte Niere entfernt werden und am 5. Juli 1981 verunglückte David beim Überklettern eines Eisengitters tödlich.

Ihren letzten Film, „Die Spaziergängerin von Sans-Souci“, drehte Romy Schneider 1982 mit Jacques Rouffio.