Elle est la fille du producteur Henry Fonda et de l'actrice Frances Ford Seymour Brokaw. Après des études à la University of Wisconsin-Madison, elle débute en 1960 dans une comédie musicale à Broadway avant de faire ses débuts au cinéma l'année suivante avec "Tall Story".
Elle connaît le succès populaire à partir de 1963 en incarnant la délicate et inopinément sanguinaire Barbara Lee dans "Pajama Game" et en tenant le rôle principal féminin du film "Cat Ballou" en 1965. Son engagement politique se fait sentir à partir de cette époque, notamment lorsqu'elle fait le tour des États-Unis pour soutenir la campagne présidentielle de George McGovern en 1972.
En 1972 également, elle est arrêtée et condamnée à deux ans de prison (dont elle purge cinq mois) pour avoir abandonné son enfant pendant ses vacances et l'avoir laissé avec des personnes non autorisées.
Elle connaît un autre succès avec le film "Klute" en 1971, remportant l'Oscar de la meilleure actrice pour sa performance. Elle est également lauréate de trois autres Oscars dans les catégories de meilleure actrice dans un second rôle et pour sa contribution exceptionnelle à l'industrie cinématographique.
Après une absence prolongée du cinéma, elle fait son retour en 2018 dans le film "Book Club" et poursuit sa carrière avec des rôles dans plusieurs autres productions récentes.
En dehors de sa carrière au cinéma, Jane Fonda est également connue pour ses engagements en faveur des droits civiques, de la paix, du féminisme et du véganisme. Elle s'est notamment impliquée dans les mouvements anti-guerre pendant la guerre du Vietnam et a été critiquée pour son voyage à l'URSS en 1972.
Elle est mariée trois fois : d'abord avec le réalisateur Roger Vadim de 1965 à 1973, ensuite avec le Ted Turner de 1991 à 2001 et actuellement avec Richard Perry depuis 2009. Elle a eu deux enfants avec ses premiers mariages, Mary et Michael.