Fille d’artistes émi­grés russes (son père est chan­teur d’opéra et sa mère dan­seuse étoile), Mari­na Vla­dy naît le 10 mai 1938 à Cli­chy. Alors qu’elle se des­ti­nait à mar­cher sur les traces de sa mère en deve­nant dan­seuse, elle fait ses pre­miers pas devant la camé­ra dans Orage d’été en 1949 aux côtés d’une de ses sœurs, Olga. Repé­rée tout d’abord pour sa grande beau­té, elle s’illustre dans une majo­ri­té de pro­duc­tions ita­liennes (La Fille du diable, Les Infi­dèles, Des gosses de riches). Mais c’est en 1954 qu’elle se fait vrai­ment remar­quer dans Avant le déluge. Elle reçoit pour son inter­pré­ta­tion le prix Suzanne Bian­chet­ti, récom­pense décer­née chaque année par la SACD (Socié­té des auteurs et com­po­si­teurs dra­ma­tiques) à une jeune actrice pro­met­teuse.

L’année sui­vante, alors qu’elle n’a que 17 ans, elle fait la connais­sance de Robert Hos­sein qu’elle épouse. Le met­teur en scène la dirige à quatre reprises, dans Les Salauds vont en enfer (1955), Par­don­nez nos offenses (1956), La Nuit des espions (1959) et Toi, le venin (1958). Paral­lè­le­ment, le couple, qui a deux enfants, s’affiche entre autres devant la camé­ra de Georges Lam­pin (Crime et Châ­ti­ment en 1956), de Jean Valere (La Sen­tence en 1959) et de Mau­rice Labro (Les Canailles en 1960). Sépa­rée de Robert Hos­sein, elle incarne en 1960 La Prin­cesse de Clèves aux côtés de Jean Marais. Cette adap­ta­tion du roman de Mme de la Fayette lui vaut le prix belge Femi­na de la meilleure actrice de l’année.

En 1963, elle prouve défi­ni­ti­ve­ment qu’elle n’est pas qu’un phy­sique grâce au Lit conju­gal qui lui per­met de récol­ter une nomi­na­tion aux Gol­den Globes et sur­tout de repar­tir avec le prix d’interprétation fémi­nine au Fes­ti­val de Cannes. Orson Welles lui offre en 1965 l’un de ses rares rôles anglo­phones dans Fal­staff, per­son­nage créé par Sha­kes­peare. Sépa­rée de son second mari, l’aviateur Jean-Claude Brouillet, elle appa­raît en 1966 dans Atout cœur à Tokyo pour OSS 117 puis dans Deux ou trois choses que je sais d’elle de Jean-Luc Godard. Elle alterne par la suite films exi­geants et comé­dies popu­laires. On la voit ain­si dans un film russe, Lika, le grand amour de Tche­kov (1969), Sapho ou La fureur d’aimer (1971) pour lequel elle rem­porte un second prix Femi­na, la comé­die Tout le monde il est beau, tout le monde il est gen­til de Jean Yanne (1972), le film his­to­rique Que la fête com­mence de Ber­trand Taver­nier (1975) ou encore Twist again à Mos­cou (1986). Enga­gée poli­ti­que­ment, elle est l’une des 343 signa­taires du mani­feste des 343 salopes en 1971. Déci­dé­ment appré­ciée en Bel­gique, elle reçoit son troi­sième prix Femi­na de la meilleure actrice en 1977 pour Elles deux et par­tage l’affiche avec John Hus­ton dans un film fan­tas­tique mexi­cain, Le Mys­tère du tri­angle des Ber­mudes (1978). L’année 1989 lui per­met de retrou­ver Mar­cel­lo Mas­troian­ni pour la troi­sième fois (après Penne nere et Jours d’amour) dans Splen­dor d’Ettore Sco­la. A cette même époque, elle se fait de plus en plus pré­sente sur le petit écran et y appa­raît régu­liè­re­ment jusqu’aux années 2000. On la voit dans Les Charmes de l’été (1975), La Chambre des Dames (1983), Condor­cet (1989), Dans un grand vent de fleurs (1996) ou plus récem­ment Vic­toire ou la dou­leur des femmes (2000) avec Marie Trin­ti­gnant.

Depuis 2000, elle se fait de plus en plus rare sur les écrans, pré­fé­rant se consa­crer au théâtre et à l’écriture. Elle publie entre autres ses mémoires en 2005, 24 images seconde, et le récit Le Fol Enfant en 2009. Touche-à-tout, elle endosse en 2006 la cas­quette de chan­teuse au Théâtre des Bouffes du Nord. Elle y chante son amour pour Vla­di­mir Vis­sots­ki, son 3e com­pa­gnon décé­dé en 1980, d’après son livre paru en 1978, Vla­di­mir ou le vol arrê­té. En 2011, elle fait enfin son grand retour au ciné­ma dans Quelques jours de répit, où elle incarne une femme dont la vie est bou­le­ver­sée par sa ren­contre avec un Ira­nien homo­sexuel qui a fui son pays.