Actriz, directora, fotógrafa y productora norteamericana, estrella de varios films de Woody Allen, director de notable influencia en su carrera. Nacida en California, se convirtió, gracias A dos extraños amantes (Annie Hall, 1977), en el estereotipo de la joven neurótica de Nueva York durante los 70.
Estudió en el Colegio Santa Ana de Los Angeles y en el Neighborhood Playhouse de Nueva York. Trabajó en televisión antes de debutar en cine en Lovers and Other Strangers (1970), de Gig Young. En 1972 trabajó en El padrino (The Godfther), de Francis Ford Coppola, y en Sueños de seductor (Play It Again, Sam), de Herbert Ross.
En 1977 protagonizó Buscando a Mr. Goodbar (Looking for Mr. Goodbar), de Richard Brooks, y Dos extraños amantes, cuyo personaje generó modas y la hizo ganadora de un Oscar. En 1982 fue nominada otra vez a ese premio por Rojos (Reds, 1981), de Warren Beatty.
En 1987 debutó en la dirección con el documental Heaven, participó en Días de radio (Radio Days), de Allen, y protagonizó ¿Quién llamó a la cigüeña?. En 1990 formó parte de El Padrino III (The Godfather, Part III) y en 1993 volvió a trabajar con Allen en Misterioso asesinato en Manhattan (Manhattan Murder Mystery) y en 1995 dirigió Héroes anónimos (Unstrung Heroes), con Andie MacDowell, John Turturro y Nathan West.
En 1996 protagonizó El club de las divorciadas (The First Wiwes Club) y Reencuentro (Marvin's Room), junto a Meryl Streep y Robert DeNiro, por la cual volvió a ser nominada al Oscar.
Recientemente volvió a probar suerte detrás de cámara con la comedia liviana No nos dejes colgadas (Hanging Up), escrita por las hermanas Nora y Delia Ephron y protagonizada por Walter Matthau, Meg Ryan y Lisa Kudrow.