Filla d’Henry Fonda, treballà a Broadway i estudià a l’Actor’s Studio. Destacà com a protagonista de Tall Story (1960), de Joshua Logan, però la popularitat li arribà arran del matrimoni amb el director francès Roger Vadim (1965-73), del qual protagonitzà La ronde (1965) i Barbarella (1968).
Aquests anys actuà també a les ordres de Sydney Pollack (They Shoot Horses, don’t They?, 1968) i de Jean-Luc Godard (Tout va bien, 1972). El 1972 i el 1978 obtingué l’Oscar a la millor interpretació femenina per Klute (1971), d’Alan J. Pakula, i Coming Home (1978), de Hal Ashby, respectivament. Altres films seus són: A Doll’s House (1973), de Joseph Losey; The Blue Bird (1976), de George Cukor; Julia (1977), de Fred Zinnemann; Comes a Horseman (1978), d’Alan J. Pakula; The China Syndrome (1979), de James Bridges; The Electric Horseman (1979), de Sydney Pollack; On Golden Pond (1981), de Mark Rydell; Rollover (1981), d’Alan J. Pakula; The Morning After (1986), de Sidney Lumet; Agnes of God (1985), de Norman Jewison; Old Gringo (1989), de Luis Puenzo; Stanley & Iris (1990), de Martin Ritt; Monster-in-Law (2005), de Robert Luketic; Georgia Rule (2007), de Garry Marshall; Peace, Love & Misunderstanding (2011), de Bruce Beresford; The Butler (2013), de Lee Daniel; Youth (2015), de Paolo Sorrentino; Our Souls at Night (2017), de Ritesh Batra, i Book Club (2018), de Bill Holderman. Per a la televisió ha actuat en diverses sèries (The Newsroom, 2012-14; Grace and Frankie, 2015), i el 1984 obtingué un premi Emmy pel telefilm The Dollmaker, de Daniel Petrie.
La seva trajectòria ha estat reconeguda amb una Palma d’Or especial del Festival de Canes (2007), el Lleó d’Or del Festival de Venècia (2017), compartit amb Robert Redford, el premi d’honor del Festival Lumière de Lió (2018) i el premi Cecil B. DeMille dels Globus d’Or (2021).
A més del vessant com a actriu, en la seva projecció pública hi han contribuït també el seu activisme social, especialment els anys setanta contra la guerra del Vietnam, i, posteriorment, el fet de ser la representant i promotora d’un cert estil de vida, basat en els hàbits saludables, l’exercici físic (entre d’altres promogué l’aeròbic mitjançant la publicació dels vídeos d’exercicis i rutines de gran èxit, Jane Fonda’s Workout, 1982) i els tractaments de bellesa. L’any 2018 fou guardonada també amb el premi d’honor per The Environmental Media Association (EMA). A banda de Roger Vadim, estigué casada amb l’activista Tom Hayden (1973-90) i amb el magnat de la premsa Ted Turner (1991-2001).