Révélée par François Truffaut, Marie-France Pisier joue le rôle du premier amour platonique d’Antoine Doinel dans le court-métrage Antoine et Colette (1962), qui fait partie du film L’Amour à 20 ans.
Elle reprendra le personnage dans une courte scène de Baisers volés (1968), et surtout dans L’Amour en fuite (1979), où elle est également créditée au scénario.
Tout au long de sa carrière, Marie-France Pisier oscille entre des œuvres intellectuelles comme Céline et Julie vont en bateau (1974) de Jacques Rivette, et un cinéma grand public, partenaire de Jean-Paul Belmondo dans Le Corps de mon ennemi (1976) de Henri Verneuil et L’As des as (1982) de Gérard Oury,
Elle doit beaucoup à André Téchiné, qui la dirige dans Souvenirs d’en France (1975) et Barocco (1976). Dans le premier film, son « Foutaises, foutaises ! » est devenu l’une des répliques les plus célèbres du cinéma français. Les deux métrages lui valent le César de la meilleure actrice dans un second rôle. Et son premier trophée lui est également décerné pour Cousin, cousine (1975) de Jean-Charles Tacchella.
Parmi ses autres rôles au grand écran, on peut citer la chanteuse de cabaret victime de Vampire de Düsseldorf (1965) de Robert Hossein, Charlotte Brontë dans Les Sœurs Brontë (1979) de Téchiné, l’amante de Romy Schneider dans La Banquière (1980) de Francis Girod, Coco Chanel dans Chanel solitaire (1981) de George Kaczender, l’animatrice de téléréalité dans Le Prix du danger (1983) d’Yves Boisset, Perséphone dans Parking (1985) de Jacques Demy, George Sand dans La Fidélité (1991) d’Andrzej Zulawski, la Parisienne souhaitant adopter une fillette dans Marion (1997) de Manuel Poirier et Madame Verdurin dans Le Temps retrouvé (1999) de Raoul Ruiz.
Christophe Honoré avec Dans Paris (2006) lui donne son dernier grand rôle, celui de la mère de Romain Duris et Louis Garrel.
Marie-France Pisier a également tourné avec Alain Robbe-Grillet, Buñuel, Annick Lanoë, André Delvaux, Laurence Ferreira Barbosa, Maïwenn…
On lui doit aussi deux longs métrages en tant que réalisatrice, dont Le Bal du gouverneur (1990), d’après son roman en grande partie autobiographique.
La comédienne aura également été active au théâtre, jouant Claudel ou Guitry ; et à la télévision (le feuilleton Les Gens de Mogador).
