Przez długie lata mieszkała we Francji i występowała głównie w dziełach francuskich reżyserów. Do jej najlepszych kreacji należy postać pacjentki szpitala psychiatrycznego o skłonnościach lesbijskich Lilith Arthur w dramacie psychologicznym Roberta Rossena Lilith (1964), za którą była nominowana do Złotego Globu dla najlepszej aktorki w filmie dramatycznym.
Zagrała w kilkudziesięciu filmach amerykańskich i europejskich, w tym w dreszczowcu Claude’a Chabrola Droga do Koryntu (La route de Corinthe, 1967), gdzie wcieliła się w postać wdowy Shanny po oficerze NATO, mszczącej śmierć męża, i westernie Josha Logana Pomaluj swój wóz (Paint Your Wagon, 1969) z Clintem Eastwoodem i Lee Marvinem. W 1974 wyreżyserowała krótkometrażowy dramat Ballad for Billy the Kid.
12 marca 1972 zawarła związek małżeński z reżyserem Dennisem Charlesem Berrym. 30 sierpnia 1979 doszło do rozwodu. W 1979 związała się z Algierczykiem Ahmedem Hasni.
Poza ekranem znana była z burzliwego i tragicznego życia osobistego. Zginęła śmiercią samobójczą, po przedawkowaniu barbituranów.
W 2019 powstał film Seberg oparty na życiu aktorki.