Elle a commencé sa carrière à l'âge de 20 ans dans une compagnie de théâtre. Son premier rôle important fut celui d'Yvette dans la pièce "Les Grandes Manœuvres" en 1968, qui lui valut un succès critique et populaire.
Elle a ensuite joué dans de nombreuses pièces de théâtre dont "La Cerisaie", "Hamlet", "Tartuffe" et "Le Misanthrope". En parallèle à son travail sur scène, elle est également apparue dans plusieurs films tels que "Le Pétrole", "Les Gros Cacas", "Quand passent les faisans" et "L'Incorrigible".
En 1972, Geneviève Castel a remporté le Molière de la comédienne dans un spectacle pour son interprétation d'Hermione dans "La Nuit des rois" de Shakespeare. Elle a continué à jouer sur scène jusqu'en 1983, lorsqu'elle a décidé de se consacrer entièrement à sa carrière cinématographique.
Elle est également connue pour ses nombreuses collaborations avec des réalisateurs célèbres comme Jean-Luc Godard, François Truffaut et Claude Sautet. Son rôle le plus célèbre est celui de la femme du docteur Keller dans "Les Choses de l'amour" en 1970 pour lequel elle a reçu une nomination au César de la meilleure actrice.
Geneviève Castel s'est retirée progressivement des plateaux à partir des années 1980. Elle a reçu plusieurs distinctions et récompenses pour son travail, notamment le Molière de la comédienne dans un spectacle en 1972 et le César d'honneur en 2016.
Elle continue à vivre à Paris où elle se consacre à des activités philanthropiques. Elle est reconnaissante de son succès et de sa carrière, mais refuse de se livrer aux médias et préfère rester discrète sur sa vie privée.