Cursà tres anys de dret i es formà com a actriu a l’Institut del Teatre (1975-78). Formà part de grups independents, de l’Assemblea de Treballadors de l’Espectacle (ADTE) i debutà en el teatre professional amb Bodas que fueron famosas del Pingajo y la fandanga (Grec 78). El mateix 1978 entrà al grup Dagoll Dagom i actuà a Antaviana, i debutà a la televisió (El club de los siete) i al cinema amb L’orgia, de Francesc Bellmunt. Després d’aquest film s’instal·là a Madrid, on prosseguí la carrera, i començà a utilitzar el nom artístic d’Assumpta Serna. De la seva filmografia cal destacar El crimen de Cuenca (1980, Pilar Miró) i Dulces horas (1981, Carlos Saura) i Vecinos (1981, Alberto Bermejo), premis del Círculo de Escritores Cinematográficos i Sant Jordi de cinematografia 1982 per tots dos films. Seguiren Soldados de plomo (1983, José Sacristán); El jardín secreto (1984, Carlos Suárez); Matador (1985, Pedro Almodóvar), premi Sant Jordi 1987 a la millor actriu espanyola; Lola (1986, Bigas Luna); Crónica sentimental en rojo (1986, Francesc Rovira i Beleta); Qui t’estima, Babel? (1987, Ignasi P. Ferré); L’home de neó (1991, Albert Abril); El maestro de esgrima (1992, Pedro Olea), premi a la millor actriu del Festival de Cinema Policíac de Cognac (França) del 1994; Subjúdice (1998, Josep Maria Forn); Calígula (2000, Eloy de la Iglesia); Los recuerdos de Alicia (2005, Manuel Estudillo); El asesino a sueldo (2009, Salomón Shang); La vida en una pecera (2013, Rubén Alonso), i ¡He matado a mi marido! (2018, Francisco Lupini Basagoiti). Ha actuat també en sèries de televisió de l’Estat espanyol (Para Elisa, 1993; Un día volveré, 1993; Aquí no hay quién viva, 2005-06; El crac 2014-17, etc.).
És un dels actors de l’Estat espanyol de més projecció internacional, amb títols com ara Le cercle des passions (1983, Claude d’Anna), Balada da Praia dos Cães (1987, José Fonseca e Costa), Wild Orchid (1989, Zalman King), Yo, la peor de todas (1990, María Luisa Bemberg), Nostradamus (1994, Roger Christian), Les cent et une nuits de Simon Cinéma (1995, Agnès Varda), The Craft (1996, Andrew Fleming), Nanà (1999, Alberto Negrin), Bullfighter (2000, Rune Benedixen), Une autre vie (2004, Luc Béraud), The Piano Tuner of Earthquakes (2005, Stephen i Timothy Quay), I Viceré (2007, Roberto Faenza), Un si beau voyage (2008, Khaled Ghorbal), Uncertainty (2008, Scott McGehee, David Siegel), a més de les sèries de televisió nord-americanes i britàniques Crime Stories (1988), Falcon Crest (1989-90), Henry VIII (2003) i Borgia (2011-14), entre d’altres. Presidenta d’AISGE (Artistas Intérpretes, Sociedad de Gestión) en 2000-02, del 2002 al 2008 representà l’Estat espanyol al Consell de l’Acadèmia del Cinema Europeu. Des del 1993 és membre de l’Academy of Motion Picture Arts and Sciences. El 1999 creà a Madrid, amb el director i actor Scott Cleverdon, l’escola d’interpretació Escuela Assumpta Serna, integrada des del 2016 a la Fundación Internacional First Team, de la qual és presidenta fundadora (2004). És autora dels llibres El trabajo del actor de cine (1997) i Monólogos en V. O. (2001). El 2015 rebé el Premi d’Honor de l’Eurofilm Festival i el 2019 fou nomenada membre d’honor de l’Acadèmia del Cinema Català.