Jane Mallory Birkin urodziła się 14 grudnia 1946 r. w Londynie. Zadebiutowała w 1965 r. rolą dziewczyny na motorowerze w komedii Richarda Lestera "Sposób na kobiety". Przełomem w jej karierze okazał się występ w roli jednej z modelek fotografowanych przez głównego bohatera (David Hemmings) w dramacie Michelangela Antonioniego "Powiększenie" (1966 r.). W 1968 r. wyjechała do Francji, starając się o główną rolę w "Sloganie", którą otrzymała, mimo że nie znała języka francuskiego. Na planie satyrycznego melodramatu poznała starszego od siebie o 18 lat francuskiego piosenkarza Serge’a Gainsbourg. W 1969 r. zaśpiewali razem skandalizującą miłosną piosenkę "Je t'aime... moi non plus". Piosenka – napisana przez Gainsbourga z myślą o Brigitte Bardot – została zakazana w stacjach radiowych we Włoszech, Hiszpanii i Wielkiej Brytanii ze względu na otwarcie poruszane w niej kwestie erotyczne. Birkin i Gainsbourg stali się jedną z najsłynniejszych par Paryża, wzbudzającą kontrowersje i oskarżaną o obrazę przyzwoitości. Kolorowa prasa prześcigała się w doniesieniach o kolejnych wypadach pary do paryskich klubów nocnych.
Choć związek rozpadł się w latach 80., Birkin i Gainsbourg nie przestali współpracować na polu muzycznym. Pieśniarz pisał utwory na kolejne albumy angielskiej aktorki, a ona występowała w jego filmach, niezbyt chwalonych przez krytyków. Przyjaźnili się do śmierci Gainsbourga w 1991 r., a Birkin śpiewała jego piosenki.
Zagrała w ponad 80 filmach, m.in. w "Gdyby Don Juan był kobietą" (1973 r.), "Śmierć na Nilu" (1978 r.), "Zło czai się wszędzie" (1982 r.). Była trzykrotnie nominowana do nagrody Cezara - w 1985 r. za główną rolę w "La Pirate", w 1987r. za główną rolę w filmie "Kobieta mego życia" i w 1992 r. za drugoplanową rolę w "Pięknej złośnicy". Wydała 15 albumów, śpiewając charakterystycznym, nieco dziecięcym głosem, przypominającym szept, z ciągle wyraźnym angielskim akcentem.
Artystka ma trzy córki: Kate Barry (zmarła w 2013 r.), Charlotte Gainsbourg i Lou Doillon. Jane w ostatnich latach udzielała się również charytatywnie. Odwiedzała kraje trzeciego świata i wspomagała organizacje na rzecz ofiar AIDS.
W 2021 r. ukazał się dokument o Birkin - "Jane by Charlotte", wyreżyserowany przez jej córkę Charlotte Gainsbourg. Gainsbourg wyznała w rozmowie z PAP, że "potrzebowała kamery, żeby powiedzieć mamie +kocham cię+". "Ten film nie zmienił naszej relacji, ale pozostawił w nas ślad" - powiedziała Gainsbourg, której dokument zaprezentowano w sekcji Cannes Premiere 74. festiwalu w Cannes.
O śmierci Jane Birkin poinformowała gazeta "Le Parisien" i telewizja BFM, powołując się na bliskich 76-letniej artystki. Ciało Brytyjki znaleziono w jej domu w Paryżu.