Allieva al conservatorio di Rue Blanche (Scuola nazionale superiore delle arti e delle tecniche del teatro), dal 1949 fa apparizioni, la sera, nei cabaret (La Rose Rouge, a Montmartre, con il nome di Annie Girard, o al Lapin agile...) e contemporaneamente partecipa a riviste, come Dugudu con la compagnia di Robert Dhéry. Nel luglio 1954 esce dal conservatorio con due premi ed è ingaggiata poco dopo alla Comédie Francaise. La sua interpretazione in La machine à écrire nel 1956, a fianco di Robert Hirsch, è notata in particolare da Jean Cocteau, che vede in lei «il più bel temperamento drammatico del dopoguerra».
Comincia a recitare nel cinema nel 1956, quando debutta nel film Treize à table, per il quale vince il Prix Suzanne Bianchetti, mentre nel 1977 ottiene il César Award come miglior attrice, per la sua interpretazione nel film Docteur Françoise Gailland.
Appare nel film del 1960 Rocco e i suoi fratelli di Luchino Visconti, dove interpreta una prostituta sexy, passionale, imprevedibile e affascinante. La sua personalità vince sul debole Rocco, interpretato da Alain Delon, mentre la sua bellezza mette in atto la disputa tra Rocco e suo fratello maggiore Simone, interpretato, con un mix di semplicità e depravazione, da Renato Salvatori, destinato nella realtà a diventare suo marito.
Durante gli anni settanta partecipa a film come Les feux de la chandeleur, La Gifle e La Zizanie.
Nel 2002 viene premiata con il premio César per la migliore attrice non protagonista per il suo ruolo nel film La pianista di Michael Haneke, con il quale collaborerà di nuovo quattro anni dopo in Niente da nascondere.
Il 21 settembre 2008 il periodico francese Paris Match ha rivelato che Annie Girardot soffre del Morbo di Alzheimer. La figlia Giulia Salvatori ha girato un documentario in cui vengono svelati i retroscena dell'ultimo set, con la necessità dei suggerimenti all'attrice poiché questa non riesce più a ricordare le battute
ciao Annie, mi mancherai
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