Irène Jacob passe son enfance en Suisse avant de revenir à Paris l’année de ses 18 ans. Elle fait ses débuts au cinéma en 1987 dans Au revoir les enfants de Louis Malle, mais c’est en 1991 que sa carrière décolle, quand elle obtient le Prix d’interprétation féminine à Cannes pour son rôle dans La double vie de Véronique de Krzysztof Kieslowski. Elle débute alors une carrière internationale Michelangelo Antonioni, Théo Angelopoulos, Jacques Deray, Olivier Parker, Jonathan Nossiter, Hugh Hudson, Paul Auster, Tran Anh Hung, Claude Lelouch… et dernièrement dans les séries américaines The Affair et The OA.
Elle décide de revenir également au théâtre dans les années 2000. Le public lyonnais a ainsi pu la voir en janvier 2020 sur les planches du Théâtre des Célestins dans l’adaptation de Retour à Reims de Didier Eribon, mise en scène par Thomas Ostermeier.

Son affinité pour la musique lui fait rencontrer des rôles musicaux pour l’Opéra comique, l’Opéra de Lyon, le Lincoln Center : Perséphone de Stravinski, Jeanne au Bûcher de Honegger, Babar de Poulenc, l’Arlésienne de Bizet… et a enregistré deux albums chez Naive et Universal Jazz avec son frère Francis Jacob.

Son premier roman, Big Bang est paru chez Albin Michel en 2019.