Elle se produit en amateur dans la troupe théâtrale de son université, lorsque Otto Preminger la choisit pour tenir le rôle principal dans son film Sainte Jeanne (Saint Joan, 1957), adapté de la pièce de George Bernard Shaw. Malgré une campagne publicitaire bien menée, l'uvre ne connaît aucun succès. Mais Preminger persiste et propose à Jean Seberg la vedette de Bonjour tristesse (1958), d'après le roman de Françoise Sagan. La jeune actrice se montre sensible et attachante, ce qui n'empêche pas l'échec de cette production. Après un détour par la Grande-Bretagne, où elle tourne dans la Souris qui rugissait (The Mouse That Roared, Jack Arnold, 1959), elle est l'interprète féminine d'À bout de souffle, de Jean-Luc Godard (1960). Ce film, où elle a pour partenaire Jean-Paul Belmondo, qu'elle retrouve dans le médiocre Échappement libre de Jean Becker (1964), popularise son image de jeune Américaine libre mais fragile. Hélas, la suite de son exercice n'est pas à la mesure de ce premier espoir. Elle épouse successivement des cinéastes peu doués qui la font jouer dans des films décevants : François Moreuil (la Récréation, 1960), le romancier Romain Gary (Les oiseaux vont mourir au Pérou, 1968 ; Kill, 1971) et Denis Berry (le Grand Délire, 1975). Au sein d'une carrière gâchée, on pointe toutefois quelques créations estimables : l'Amant de cinq jours (Ph. de Broca, 1961), l'Attentat (Y. Boisset, 1972), le Canard sauvage (Die Wildente, Hans W. Geissendörfer, RFA, 1976) et, surtout, Lilith (R. Rossen, 1963), qui démontre les indéniables qualités expressives de Jean Seberg. Elle dirige un court métrage en 1974 : Ballad of the Kid. Elle se suicide.