Sans abandonner le théâtre, la comédienne est très vite absorbée par le cinéma. De nombreux metteurs en scène la sollicitent. Dès les années soixante, de Luchino Visconti (Rocco et ses frères, 1960) à Roger Vadim (Le Vice et la vertu). Frondeuse, Annie Girardot interprète des rôles atypiques comme dans Le Mari de la femme à barbe (1964) de Marco Ferreri et tisse des liens privilégiés avec Claude Lelouch (Un Homme qui me plaît, 1969). Elle épouse Renato Salvatori et décide de mener une double carrière en France et en Italie. Elle remporte le prix d'interprétation à Venise pour Trois chambres à Manhattan de Marcel Carné en 1965. Dans les années soixante-dix, elle devient l'actrice préférée des Français en enchaînant les comédies populaires avec Michel Audiard (Elle boit pas, elle fume pas, elle drague pas, mais... elle cause !), Philippe de Broca (Tendre poulet, 1977) ou encore Claude Zidi (La Zizanie, 1977). Annie Girardot incarne des héroïnes modernes, actives (Docteur Françoise Gailland pour lequel elle obtient le César de la meilleure actrice en 1977, (Vas-y maman, 1978) et libérées des conventions (La Clef sur la porte).

Mais sa carrière cinématographique s'essouffle dans les années 80. Elle joue tout de même dans Souvenirs, souvenirs (1984) ou encore Cinq jours en juin (1989) de Michel Legrand. Annie Girardot revient en force en obtenant en 1996 le César du meilleur