Issue d'une famille canadienne-française catholique, elle reçoit une éducation stricte au couvent pendant douze ans avant d'entrer au Conservatoire d'art dramatique de Montréal. Elle débute au théâtre dans le rôle de Rosine du Barbier de Séville.
En 1965, en tournée avec le Théâtre du Rideau Vert à Paris, elle est remarquée par le réalisateur Alain Resnais, qui lui offre un rôle dans son film La guerre est finie, aux côtés de Yves Montand. L'année suivante, elle tourne deux autres films; Le Roi de cœur de Philippe de Broca, avec Alan Bates, et Le Voleur de Louis Malle, avec Jean-Paul Belmondo.
De retour au Canada, elle épouse le réalisateur Paul Almond en 1967, de qui elle a un fils, Matthew (né en 1968). Elle paraît successivement dans trois de ses films; Isabel (1968), The Act of the Heart (1970), et Journey (1972). Le couple divorce en 1973, mais travaille à nouveau ensemble dans Final Assignment (1980) et The Dance Goes On (1992).
Elle joue dans Entre la mer et l'eau douce (1967), film de Michel Brault, ainsi que Kamouraska (1973), film de Claude Jutra, d'après le roman d'Anne Hébert, qui lui vaut le prix de la meilleure actrice au Festival du film canadien (aujourd'hui Prix Génie).
Mais c'est en 1969, avec le film Anne of the thousand days de Charles Jarrot, aux côtés de Richard Burton, qu'elle devient une vedette internationale. Son interprétation lui vaut un Golden Globe comme meilleure actrice, ainsi qu'une nomination aux Oscars du cinéma dans la même catégorie. L'année suivante, elle joue le rôle de Cassandre dans The Trojan Women, film de Michael Cacoyannis, aux côtés de Katharine Hepburn, Vanessa Redgrave et Irene Papas.
Parallèlement à sa carrière au cinéma, elle paraît à la télévision canadienne et américaine, notamment dans les classiques de George Bernard Shaw, tels Saint Joan (1967) et Caesar and Cleopatra (1976), ainsi que Antigone de Jean Anouilh (1974).
Pour régler une dispute avec Universal Pictures, avec qui elle est sous contrat, elle accepte de jouer dans le film catastrophe Earthquake (1974) et le film d'aventure Swashbuckler (1976), puis enchaine avec des thrillers comme Obsession (1976), Coma (1978), Tightrope (1984), Dead Ringers (1988).
Après une longue absence du Québec, elle retrouve Michel Brault et paraît dans deux de ses films; Les Noces de papier (1989) et Mon amie Max (1994).
En 1994, elle est engagée pour jouer le rôle du capitaine Nicole Janeway dans la série américaine Star Trek Voyager, mais elle abandonne juste après le tournage de l'épisode pilote, à cause de conditions de tournage trop difficiles.
Elle vit depuis plusieurs années en Californie avec son compagnon Dennis Hastings, de qui elle a un second fils Emmanuel (né en 1980), et tourne maintenant surtout des films à petit budget de producteur du secteur privé.