Marina Catherine de Poliakoff-Baidaroff néven született a Párizshoz közeli Clichyben. Szülei nemesi családból származtak, apja operaénekes, anyja balett-táncos lett, de a férfinak munkásként is dolgoznia kellett. Négy lányuk közül hárman választották a filmes pályát, s mindhárman más néven lettek ismertek. Marina apja, Vlagyimir tiszteletére lett Vlady, Tania nővére az Odile Versois, Militza az Hélene Vallier nevet választotta; a V betű mindegyiküknél a győzelem (victoire) szóra utal. A testvérek időnként együtt is felléptek, 1967-ben nagy sikerrel játszották egy párizsi színházban Csehov Három nővérét. Marina először balettozott, tagja volt a párizsi opera balettkarának. A filmvásznon először tizenegy évesen, statisztaként tűnt fel (a főszerepet Odile nővére alakította), majd az 1950-es évek elején Olaszországban is dolgozott. Itt forgatott filmjeiben inkább küllemén, mint színészi tehetségén volt a hangsúly, bár olyan filmsztárok partnere lehetett, mint Marcello Mastroianni és Gina Lollobrigida. 

Még tizenéves volt, amikor hazájában is felfedezték, szlávos szépségével, érdekes arcával, titokzatos zöld szemével az új filmideál, a nőiesség új szimbóluma lett. Az özönvíz előttben nyújtott alakításáért 1954-ben megkapta a legígéretesebb fiatal színésznőnek járó díjat. A következő évben forgatott, A boszorkány című filmje nemcsak alakítása miatt emlékezetes, hanem azért is, mert derékig érő szőke hajával divatot teremtett. Nemzetközi sikert aratott a Bűn és bűnhődésben Jean Gabin oldalán, legemlékezetesebb alakítását Marco Ferrari A méhkirálynő (1964) című filmjében nyújtotta. A válságba jutott párkapcsolat eredeti feldolgozásában Ugo Tognazzi partnereként a szerelemre éhes feleség szatirikus megelevenítésével hódította meg a közönséget, a maga idejében provokatívnak minősülő film forgalmazását a cenzúra csak több változtatás után engedélyezte. Vlady játékáért megkapta a cannes-i filmfesztivál legjobb színésznőnek járó kitüntetését, és Golden Globe-ra is jelölték. 

Marina Vlady a pécsi Misina-tetőn 1962-ben (MTI Fotó: Keleti Éva)

Játszott az Orson Welles rendezte Falstaffban (a parádés szereposztású Shakespeare-adaptáció kevés angol nyelvű filmjeinek egyike), Jean-Luc Godard Két vagy három dolgot tudok róla című alkotásában, majd Jancsó Miklós rendezte a Sirokkóban. Származása és nyelvismerete keletre is utat nyitott számára, 1969-ben a Szovjetunióban forgatott, az A Sirály születése című filmben a Csehov életében felbukkanó kevés nőalak egyikét, a drámaíró rajongásának tárgyát, Lika Mizinovát formálta meg.

A hetvenes években a tengerentúlon is megpróbált karriert csinálni, de nem sok sikerrel. 1967 júliusában a moszkvai nemzetközi filmfesztivál vendégeként, véletlenül találkozott a Szovjetunióban kultikus figurának számító Vlagyimir Viszockij színész-énekessel. A színésznő barátai tanácsára ment el a Taganka színházba, ahol Szergej Jeszenyin Pugacsov című drámai költeményét próbálták Jurij Ljubimov rendezésében, s az egyik főszerepet Viszockij játszotta. Az ismeretségből pillanatok alatt szerelem, majd 1970 decemberében házasság lett, amely a már életében legendás dalköltő 1980-ban bekövetkezett haláláig tartott, jóllehet kapcsolatukat megviselte az orosz színész-bárd zaklatott életvitele.

Marina Vlady és Jancsó Miklós 1969-ben a Sirokkó forgatásakor (forrás: MTI)

Csak egyetlen közös filmben szerepeltek, az 1977-ben készült Ők ketten című alkotást Mészáros Márta rendezte. A film felújított változatát idén márciusban a restaurált filmeknek szentelt, Toute la mémoire du monde nevű fesztiválon a rendezőnő és Vlady jelenlétében vetítették Párizsban. A viharos kapcsolatról a Viszockij több dalát is eléneklő Vlady Szerelmem, Viszockij címmel 1987-ben könyvet írt, majd húsz évvel később francia nyelvű előadás is született belőle. A könyvből idehaza Földes László Hobo írt zenés balladát Ballada a két sebzett hattyúról címmel, s szintén a könyvből született egy monodráma Bálint Márta előadásában, A megszakított repülés, avagy szerelmem, Viszockij címmel. A párnak Jekatyerinburgban emlékműve van, a 2006-ban felavatott életnagyságú bronzszobor Viszockijt gitárral ábrázolja, Vlady mellette ül.

A színésznő harmadik férje halála után visszaköltözött Franciaországba, ahol elsősorban televíziós sorozatokban és tévéfilmekben vállalt szerepet. 2001-ben a Taviani fivérek rendezte Tolsztoj-adaptációban (Feltámadás) játszott, majd egy algériai-francia filmdrámában, illetve egy francia tévéfilmben alakított főszerepet, az utóbbi években több rövidfilmben is közreműködött.

Szabadidejében szívesen foglalkozik szobrászattal és irodalommal, 1997-ben A konyhán át a szívhez címmel jelentetett meg könyvet, 2002-ben Az én cseresznyéskertem címmel regénye, 2005-ben memoárkötete jelent meg. Nővéreivel hanglemezfelvételeket is készített. Vlady első férje a szintén orosz származású Robert Hossein francia színész-rendező volt, akivel még tizenhét évesen kötött házasságot, s akitől két fia született, több filmet is forgattak együtt. 1963-ban másodjára is férjhez ment, egy pilótához, akitől szintén egy fia született. Negyedik házasságát a nyilvánosság kizárásával kötötte egy orvossal, akivel több mint húsz évig élt együtt, s aki 2003-ban hunyt el.