Après des études au conservatoire national supérieur d'art dramatique (CNSAD), elle commence sa carrière au théâtre dans les années 1960 en jouant dans plusieurs pièces à Paris, dont certaines sous la direction de metteurs en scène prestigieux comme Marcel Mithois, André Barsacq et Georges Wilson. Elle obtient son premier grand rôle au cinéma en 1963 avec le film "La Vénus d'Ille" de René Clément.
Dans les années suivantes, elle poursuit sa carrière à la télévision et au théâtre, mais c'est surtout dans les films qu'elle connaît son éclat : en 1968 avec "La Guerre des boutons" de Yves Robert aux côtés de Gérard Depardieu, en 1970 avec "Les Choses de la vie" de Claude Sautet aux côtés d'Yves Montand et Michel Piccoli, en 1974 avec "Cousin, cousine" de Jean-Charles Tacchella, et plus tard avec des réalisateurs de talent tels que François Truffaut, Jacques Rivette, Claude Chabrol, Diane Kurys, et Arnaud Desplechin.
Au théâtre, elle a joué dans plusieurs productions prestigieuses, notamment sous la direction d'Antonin Barytchev, André Barsacq et Patrice Chéreau, et en 1985, elle rejoint le Théâtre national de Strasbourg.
En 2003, elle a reçu le Molière de la comédienne dans un second rôle pour sa performance dans "Le Père" d'August Strindberg au Théâtre national de Chaillot. En 2018, elle est nommée officier de la Légion d'honneur par Emmanuel Macron pour ses services à la culture française.
Aujourd'hui, Marie-Hélène Trefouel continue à jouer et à enchanter les scènes françaises avec sa grande énergie et son talent inébranlable. Elle est aussi une figure de référence pour les jeunes comédiens qui entament leur carrière dans le monde du théâtre et du cinéma.