Lady Jayne Seymour Fonda az egyik legnevesebb hollywoodi dinasztia sarjaként szó szerint a filmvilágba született: apja, Henry Fonda, testvére, Peter Fonda és unokahúga, Bridget Fonda is neves színész. (Érdekesség, hogy születése napján mutatták be Amerikában Disney egyik klasszikusát, a Hófehérke és a hét törpe című rajzfilmet.) Anyja Jane tizenkét éves korában lett öngyilkos, a tragédiát bakfis lánya nagyon nehezen tudta feldolgozni, egy ideig bulimiában szenvedett.

A már tizenévesként lázadó lány megbotránkoztatta tanárait, minden iskolából megszökött. 1954-ben egy jótékonysági előadáson állt először színpadra apjával. A színházat azonban nem szerette meg, inkább modellkedett, képe kétszer jelent meg a Vogue magazin címlapján. A színészi pálya mellett akkor döntött, amikor apja bemutatta a színészoktatók legnevesebbjének, Lee Strasbergnek. Az ő stúdiójának elvégzése után a Broadwayn bizonyított (1960-ban a színházi Oscarnak nevezett Tony-díjra jelölték), és megnyílt előtte az út a filmvilág felé.

1962-ben kiérdemelte a legjobb tehetségnek járó Golden Globe-díjat, egy év múlva viszont a legrosszabb fiatal színésznek minősítette a kritika. 1965-ben a Cat Ballou című filmmel már a sztárok közé emelkedett, két évvel később hatalmas sikert aratott Robert Redford oldalán a Mezítláb a parkban című, habkönnyű Neil Simon-darab filmváltozatában. Ekkor már a francia rendező Roger Vadim volt a férje, aki "szexistennőt" akart faragni feleségéből: Fonda 1968-ban egész Amerikát sokkolta, amikor a Barbarella című erotikus sci-fi címszerepét átlátszó űrruhában alakította. Ezekben az években politikai aktivistaként is sokat szerepelt, belevetette magát a polgárjogi mozgalmakba, a vietnami háború elleni tiltakozásokba. Amikor 1972-ben ellátogatott Észak-Vietnamba, és ottani katonák társaságában fényképezték le, hazájában "kiérdemelte" a Hanoi Jane gúnynevet és a hazaáruló jelzőt.
 
Mindeközben filmes pályafutása zavartalanul ívelt felfelé. Visszautasította ugyan a Rosemary gyermeke, a Száll a kakukk fészkére és a Bonnie és Clyde című, később kasszasikernek bizonyult filmek főszerepét, de amit elvállalt, abban remekelt. 1969-ben Oscar-díjra jelölték a gazdasági világválság idején játszódó, egy maratoni táncversenyt bemutató A lovakat lelövik, ugye? című filmdráma női főszerepéért, a díjat 1971-ben a Klute című krimi prostituáltjáért meg is kapta. 1977-ben ismét jelölték az amerikai filmakadémia legrangosabb kitüntetésére a Júlia című filmért.

Második Oscar-díját 1978-ban vehette át a vietnami háború okozta traumákat elemző Hazatérésben nyújtott alakításáért. A gála csaknem botrányba torkollott, mert köszönő beszédében a szintén vietnami témájú, de egész más hangulatú A szarvasvadász című filmet rasszizmussal és kormánypártisággal vádolta meg. 1980-ban újfent Oscarra jelölték a Kína-szindrómáért, majd teljesült élete álma: az Aranytó című melodrámában akkor már gyógyíthatatlan beteg apjával játszhatott együtt. Henry Fonda alakításáért Oscar-díjat kapott, amelyet apja súlyos betegsége miatt a legjobb mellékszereplő kategóriában jelölt Jane vett át.

Az 1980-as években neve az aerobikkal és az egészséges életmóddal kapcsolódott össze, de a forgatással sem szakított - 1986-ban újabb, immár hetedik Oscar-jelölését kapta a Másnap reggel című filmért. A következő évtizedben, amikor házasságot kötött Ted Turnerrel, a CNN televízió tulajdonosával, bejelentette visszavonulását, és minden energiáját jótékonysági céloknak szentelte. 2001-ben harmadszor is elvált (második férje Tom Hayden képviselő volt), újra forgatni kezdett, és több alkalommal is anyósszerepet osztottak rá (Anyád napja).

Hetvenegy évesen szerepet vállalt egy Broadway-darabban, 2012-ben pályafutása során először alakította tévésorozat főszerepét. Az utóbbi években készült munkái közül A komornyik című filmben Nancy Reagan egykori first lady bőrébe bújt, az Apák és lányaik című érzelmes családi drámában a főszereplő regényíró ügynökét játszotta, látható volt az HBO sikersorozatában, a Híradósokban, valamint a Grace és Frankie című Netflix-vígjátékban. Idén fejezte be negyedik közös filmje, a Milyen hosszú az éjszaka forgatását Robert Redforddal, akivel újra szerelmespárt alakítottak. 2018-ban mutatják be Book Club (Könyvklub) című romantikus vígjátékát, amely a hatvanas éveiket taposó barátnőkről szól.
 
Politikai aktivitása kora ellenére sem lankadt, a többi közt hevesen tiltakozott az iraki háború ellen. Többször hallatta hangját a női egyenjogúsággal kapcsolatban, és idén egy interjúban először beszélt arról, hogy édesanyjához hasonlóan gyerekként őt is bántalmazták szexuálisan. Az egykori szexszimbólum 2006 óta a L'Oréal kozmetikai cég arca.

2007-ben életműdíjat vehetett át a cannes-i filmfesztiválon, 2013-ban pedig az Amerikai Filmintézettől. A többszörös Golden Globe- és kétszeres Oscar-díjas színésznő 2015-ben Hollywoodi Filmdíjat kapott az Ifjúság (Youth) című filmben játszott szerepéért. Munkásságát legutóbb a velencei filmfesztiválon ismerték el, amikor idén szeptemberben Arany Oroszlán-életműdíjat kapott.