Rosemarie Magdalena Albach-Retty néven színészcsaládba született 1938. szeptember 23-án, Bécsben. Apai nagyanyja, Rosa Albach-Retty, a Burgtheater színésznője, apja, Wolf Albach-Retty osztrák színész és anyja, Magda Schneider német színésznő. Édesapja még az Anschluss előtt kérte a német állampolgárságot, és tagja lett a Nemzetiszocialista Német Munkáspártnak. Romy bár Bécsben született, négyhetes korában a Berchtesgaden közelében fekvő Schönauba költözött a család, ahol nagy házat (Mariengrund) vettek. Magda szüleit hozta el Augsburgból, ők nevelték Romyt és a két évvel fiatalabb öccsét, Wolfit. Magda és Wolf 1943-tól külön éltek, 1945-ben hivatalosan is elváltak. Romy a falusi iskolába járt, 1949. július 1-jén a Salzburghoz közeli Elsbethenbe került, a középkori lovagvárban működő Goldenstein Intézet nevű egyházi leányiskolába és internátusba, amelyet az Ágostonos Kanonisszák vezettek. Ott tanulta meg a később sokat emlegetett legendás önfegyelmet. Amikor meghalt szeretett nagymamája, Omale (Nagyika), nem járt haza havonta, mint az intézet legtöbb növendéke, csak a nyári vakációt töltötte otthon. Anyja néhányszor meglátogatta, de dolgoznia kellett a család megélhetéséért. Apja egyetlenegyszer sem kereste fel az intézetben. De amikor Romy a filmvásznon látta őt, ezt írta naplójába: Színészi pályára kell lépnem. 1953 júliusában elhagyta az iskolát, de az apácákkal kapcsolatban maradt. Televíziókészüléket ajándékozott az iskolának, első gyermekének születését megtáviratozta a kedves nővéreknek. Romy tehetségesen rajzolt, iparművészeti iskolába készült, Kölnbe. A nyár folyamán édesanyja hívta telefonon, aki újabb film forgatására készült. A rendező javaslatára kérdezte Romyt, hogy lenne-e kedve eljátszani a filmbeli leányának szerepét. Romy boldogan beleegyezett. Kölnbe utazott anyjához, aki Hans Herbert Blatzheimmel kötött házasságot. Megdöbbenéssel látta a városban a háború még látható szörnyű pusztítását. Akkor jött rá, hogy a hegyek között alig érezték a háború borzalmait. Berlinben a próbafelvételek jól sikerültek és Romy a Wenn der weisse Flieder blüht („Amikor a fehér orgona virágzik”, 1953) című filmben debütált, 15 évesen. A film nagy sikert aratott, Romy dicsérő kritikákat kapott. Őstehetségnek tartották, mert színitanulmányok nélkül állt kamera elé.

Az első híres szerepe a Mädchenjahre einer Königin („Viktória - Egy királylány gyermekkora” Ernst Marischka, 1954) volt. Romy Schneider sikere folytatódott Erzsébet császárné fiatalkoráról, s Ferenc József (Karlheinz Böhm) császárral való találkozásáról szóló osztrák filmmel (Sissi). Majd újabb két film követte a bajor hercegnő történetével, aki később Ausztria császárnéja lett („Az ifjú császárné”, „Sorsdöntő évek”).

Hamar belefáradt a „királylány” szerepébe, így a 4., s egyben utolsó Sissi-filmet már el sem vállalta, helyette a sokkal komorabb Christine (1958) című filmben játszott. E film forgatása alatt szeretett bele a francia Alain Delonba, aki szintén szerepelt a műben. Romy elhagyta Németországot, és Párizsba költözött Delonnal, s 1959-ben eljegyezték egymást. Ez volt az egyik kulcspontja mind a magánéletének, mind a karrierjének.

Romy Franciaországban maradt, s itt nyílt lehetősége megismerni Luchino Viscontit, akinek több filmes szerepét is köszönheti.

Magánélete nem volt zökkenőmentes: 1963-ban Delonnal felbontották az eljegyzést, s 1966-ban hozzáment Harry Meyen (1924–1979) német színész-rendezőhöz, majd 1975-ben elváltak. Meyen később öngyilkosságot követett el. Született egy fiuk, David Christopher Meyen (1966–1981). 1975-ben Romy összeházasodott Daniel Biasinivel, de 1981-ben tőle is elvált. Lányuk, Sarah Magdalena Biasini (1977. július 21.) is színésznő.

Romy továbbra is együtt filmezett Alain Delonnal. A házasság és anyaság miatti szünet után újra ráébredt, hogy színésznőként akarja folytatni. „Ekkor” – emlékezett vissza később – „Alain felhívott, és azt kérdezte, épp kizárólagosan a férj és a gyerekek járnak-e az eszemben, vagy van-e kedvem filmezni.” A film, A medence (La Piscine) (1968) hatalmas szenzáció volt. Követte a Trockij meggyilkolása (1972) és Delon örök barátja, s támasza lett, még a színésznő életének legnehezebb időszakaiban is.

Bár úgy gondolta örökre maga mögött hagyta a sziruposan romantikus Sissi-filmeket, Visconti kérésére még egyszer elvállalta Erzsébet szerepét a Ludwig (1972) című filmben, ami II. Lajos bajor király (Helmut Berger) életéről szól, s a császárné mint a király unokatestvére sokkal komplexebb, érettebb karakter benne, mint a régi filmekben.

1980-ban a Halál egyenes adásban (La mort en direct) című filmben szerepelt, ami D. G. Compton regénye alapján készült. Egy haldokló nőt játszott, akinek utolsó napjait megfigyelik egy újságíró (Harvey Keitel) szemszögéből. Romy utolsó filmje a La Passante du Sans-Souci (A sanssouci járókelő, 1982) volt.

14 éves fia, David 1981. július 5-i váratlan halála után Romy inni kezdett. David megpróbált átmászni mostohaapja szüleinek kerítésén, amikor megsérült. Leugrott a kerítésről, és bement a házba segítségért, de mire kiértek a mentők és a kórházba vitték, túl sok vért vesztett, és meghalt. Amikor Romyt 1982. május 29-én, 43 évesen a párizsi lakásában holtan találtak, úgy gondolták öngyilkosságot követett el alkohol-túladagolással és altatótablettákkal, de a vizsgálatok kiderítették, hogy szívelégtelenségben halt meg.

A temetését követően kiderült, hogy élettársa, Laurent Petin nagy mennyiségű arany ékszer kíséretében temettette el, így sírrablók feltörték a sírját. Később újratemették biztosabb körülmények között.