De família de músics, com a actor se centrà inicialment en el teatre, i formà part de la companyia d’avantguarda Théâtre de Babylone, gestionada com a cooperativa obrera. Debutà en el cinema el 1945, i actuà en papers poc rellevants fins el film Le mépris (1963), de Jean-Luc Godard, amb el qual obtingué reconeixement. Des d’aleshores es convertí en un dels actors més sol·licitats del cinema europeu, especialment francès i italià.
Interpretà sovint personatges intrigants, tèrbols, sensuals i al límit de l’alienació. Contribuïren especialment a la seva projecció els films dirigits per Marco Ferreri (Dillinger è morto, 1968; L’udienza, 1972; La grande bouffe, 1973; Touche pas à la femme blanche, 1974; La dernière femme, 1976) i Luis Buñuel (Le journal d’une femme de chambre, 1964; Belle de jour, 1967; La voie lactée, 1969; Le charme discret de la bourgeoisie, 1972; Le fantôme de la liberté, 1974). Destaquen també les seves actuacions en els films de Claude Sautet (Max et les ferrailleurs, 1971; Vincent, François, Paul... et les autres, 1974; Mado, 1976), Marco Bellocchio (Salto nel vuoto, 1980, pel qual fou premiat a Canes; Gli occhi, la bocca, 1982) i Godard, amb qui rodà Passion (1982). Altres títols destacables de la seva filmografia són La curée (1966), de Roger Vadim; Themroc (1974), de Claude Farldo; Tamaño natural (1974) i París Tombuctú (1999), de Lluís Garcia Berlanga; Des enfants gâtés (1977), de Bertrand Tavernier; Une étrange affaire (1981) i Archipel (1992), de Pierre Granier-Deferre; La diagonale du fou (1984), de Richard Bembo; Adieu Bonaparte (1984), de Youssef Chahine; Das weite Land (‘La terra ampla’, 1987), de Luc Bondy; Milou en mai (1989), de Louis Malle; La belle noiseuse (1990), de Jacques Rivette; Martha et moi (1990), de Jiri Weiss; Les équilibristes (1990), de Nikos Papatakis; Le voleur d’enfants (1991), de Christian de Chalonge; Les cent et une nuits (1994), d’Agnès Varda; Compagna di viaggio (1996), de Peter del Monte; Party (1996), Je rentre à la maison (2001) i Belle toujours (2006), de Manoel de Oliveira; Généalogies d’un crime (1997), de Raoul Ruiz; Passion in the Desert (1998), de Lavinia Currier; Rien sur Robert (1999), de Pascal Bonitzer; Les acteurs (2000), de Bertrand Blier; Tout va bien, on s’en va (2000), de Claude Mouriéras; Les toits de Paris (2007), de Hiner Saleem, i Habemus papam (2011), de Nanni Moretti, pel qual rebé el premi David di Donatello.
Nominat als premis César quatre cops, com a director, rodà Alors, voilà (1997), La plage noire (2001) i C’est pas tout à fait la vie dont j’avais rêvé (2005).