Romy Schneider war die Tochter des österreichisch-deutschen Schauspielerehepaares Magda Schneider und Wolf Albach-Retty und kam in Wien zur Welt. Da Österreich zu diesem Zeitpunkt Teil des Deutschen Reichs war, erhielt sie die deutsche Staatsbürgerschaft. Bereits drei Wochen später, im Oktober 1938, zog die Familie von Wien nach Schönau am Königssee, wo Romy Schneider bei den Großeltern Maria und Franz Xavier Schneider in der Landhausvilla „Mariengrund“ aufwuchs. Im September 1949 wurde die Ehe der Eltern geschieden und im selben Jahr wechselte Romy Schneider ins Internat Goldenstein bei Salzburg, das sie 1953 mit der mittleren Reife abschloss. Romy Schneider hatte einen Bruder namens Wolfdieter (* 1941). Der zweite Mann ihrer Mutter brachte drei weitere Kinder mit in die Ehe.

Magda Schneider heiratete nach der Scheidung Hans Herbert Blatzheim. Ihre Tochter nannte ihn zunächst „Daddy“, später den „zweiten Mann meiner Mutter“. Der Kontakt zwischen Romy Schneider und Hans Herbert Blatzheim war nicht besonders gut.

1953 hatte Romy Schneider ihr Filmdebüt in Wenn der weiße Flieder wieder blüht, in dem auch Götz George das erste Mal auf der Leinwand zu sehen ist. Ihren internationalen Durchbruch schaffte Schneider 1955 mit dem ersten Teil der Sissi-Trilogie, wofür sie mit einem Bambi ausgezeichnet wurde. In allen drei Filmen spielte auch Magda Schneider mit.

1958 lernte Romy Schneider bei Dreharbeiten Alain Delon kennen. Sie zog zu ihm nach Paris, wo beide auch erfolgreich Theater gespielt haben, zum Beispiel in Schade, dass sie eine Dirne ist unter der Regie von Luchino Visconti. 1962 spielte Schneider in Paris in Sacha Pitoëffs Inszenierung von Anton Tschechows Die Möwe am Théâtre Moderne die Rolle der Nina. Erste Angebote aus Hollywood lehnte Schneider noch ab. Sie spielte weiterhin in europäischen Produktionen mit den Regisseuren Visconti oder Orson Welles.

1964 trennten sich Romy Schneider und Alain Delon. Romy Schneider unternahm einen Suizidversuch. 1966 heiratete sie den Schauspieler und Theaterregisseur Harry Meyen. Am 3. Dezember desselben Jahres wurde ihr Sohn David Christopher geboren.

1968 drehte Romy Schneider erneut mit Alain Delon. Der Film hieß Der Swimmingpool und wurde ein kommerzieller Erfolg. Seit Ende der 1960er Jahre drehte Schneider fast ausschließlich Filme in Frankreich. In den 1970ern war sie die erfolgreichste Schauspielerin des französischen Films und drehte an der Seite von Michel Piccoli oder Yves Montand. Für die Filme Nachtblende und Eine einfache Geschichte (1976) erhielt sie den César. 1977 wurde ihr das Filmband in Gold in der Kategorie Beste Hauptdarstellerin für Gruppenbild mit Dame verliehen.

1971 gehörte Romy Schneider zu den 371 Frauen, die am 6. Juni in der Zeitschrift Stern bekannt gaben, abgetrieben zu haben.

1975 trennte sich Romy Schneider von Meyen. Einen Tag nach der Scheidung von Meyen heiratete Romy Schneider ihren elf Jahre jüngeren Sekretär Daniel Biasini. Am 21. Juli 1977 kam die gemeinsame Tochter Sarah Magdalena auf die Welt. Am 14. April 1979 nahm sich ihr Ex-Mann Harry Meyen das Leben.

1981 war für Romy Schneider ein Jahr persönlicher Krisen und Schicksalsschläge: Die Ehe mit Daniel Biasini wurde geschieden. Im Mai desselben Jahres musste sie sich einer schweren Nierenoperation unterziehen. Am 5. Juli verunglückte ihr vierzehnjähriger Sohn David Christopher tödlich, als er über einen Zaun mit scharfen Spitzen kletterte und abrutschte.
Kurz nach der Premiere ihres letzten Films (Die Spaziergängerin von Sans-Souci) wurde Romy Schneider im Mai 1982 von ihrem neuen Lebensgefährten Laurent Petin tot in ihrer Wohnung in Paris aufgefunden. Der Tod Romy Schneiders erregte erhebliches Aufsehen in der Öffentlichkeit. Ein großer Teil der Presse schrieb sogleich von Selbstmord. Dies wurde jedoch durch den Obduktionsbericht widerlegt, der Herzversagen als natürliche Todesursache feststellte. Dieser Bericht wurde wiederum so gedeutet, dass sie „an gebrochenem Herzen“ gestorben sei.

Romy Schneider wurde in Boissy-sans-Avoir, Département Yvelines, nahe Paris beigesetzt. Auf Veranlassung von Alain Delon, der auch die Beerdigung organisiert hatte, wurde ihr Sohn David wenig später nachgeführt. 1984 wurde als Erinnerung an sie der Romy-Schneider-Preis ins Leben gerufen. Seit 1990 wird in Wien der österreichische Fernsehpreis Romy verliehen. Die goldene Statuette zeigt Romy Schneider in einer Szene aus Swimmingpool.