Berit Elisabeth Andersson anyja szociális munkás, apja üzletember volt. A színházi világgal először balettművész nővére révén került kapcsolatba, de őt a tánc helyett a prózai színház vonzotta.

1954-ben lett a legendás stockholmi Királyi Drámai Színház iskolájának hallgatója, első "filmszerepe" 1952-ben egy Ingmar Bergman által rendezett szappanreklám volt. Egy évvel később megkapta élete első igazi szerepét Nils Poppe Tökfej Bum című bohózatában, majd Bergman, Alf Sjöberg és Hasse Ekman filmjeiben játszott kisebb szerepeket.

A finom vonású, szép szőke színésznő drámai képességeit Bergman fedezte fel, s neki köszönheti nemzetközi hírnevét is. Játszott kisvárosi színésznőt az Egy nyáréjszaka mosolyában, majd A hetedik pecsét vándorszínész házaspárjának női tagját alakította, ő volt A nap vége idős professzorának fiatalkori szerelme, majd az Arc cselédlánya is.

Bergman hívására 1956-ban, a színiiskola elvégzése után a malmői Városi Színházhoz szerződött, 1959-től a stockholmi Drámai Színház társulatának tagja lett, 1962-től egy évadon keresztül az uppsalai színházban vendégszerepelt. Ugyanebben az évben Liv Ullmann-nal forgatott együtt Észak-Norvégiában a Rövid nyár című produkcióban.

A két színésznő külső hasonlósága megdöbbentette Bergmant, aki erre építette fel 1966-os Persona című filmjét, amelyben Bibi Alma nővért, az önkéntes némaságba burkolózó Liv Ullmann által alakított színésznő ápolónőjét formálta meg. A film leghíresebb jelenete, a két női arc egymásra vetítése is a hasonlóság motívummal játszott el. Bibi Andersson főszerepet kapott a Szenvedély és az Érintés című Bergman-filmben is, utolsó együttműködésük a Jelenetek egy házasságból epizódszerepe volt.

A hetvenes évektől kezdve külföldön forgatott, amerikai, olasz, francia produkciókban szerepelt, dolgozott John Hustonnal és Robert Altmannal is, nagy sikert aratott a Jurij Jegorov rendezte A svéd asszony című filmben, amelyben Vjacseszlav Tyihonov volt a partnere. A nyolcvanas években ismét Svédországban dolgozott, játszott Sjöman Élveboncolásában is, s visszatért a színpadra.

Később ő maga is rendezett, a kilencvenes években pedig színházigazgató is volt Stockholmban. A délszláv háború idején egy szarajevói humanitárius színházi program egyik koordinátoraként is dolgozott.

Pályáján több jelentős elismerést is kapott: 1958-ban Cannes-ban díjazták, 1963-ban Berlinben Ezüst Medvét vehetett át, 1968-ban és 1975-ben elnyerte az amerikai filmkritikusok, 1971-ben a Brit Akadémia díját. Háromszor ment férjhez, Jenny lánya 1970-ben, első férjével való házasságából született.