Simone Kaminker néven született Wiesbadenben 1921. március 25-én. Az érettségi után családfenntartóvá lépett elő: angol és latin órákat adott, majd Párizsban a kollaboránsnak tartott Les Nouveaux Temps szerkesztőségében dolgozott 1940-1941-ben. 1941 tavaszán elhatározta, hogy a film világában próbál szerencsét.

Eleinte csak aprócska epizódszerepeket kapott, mert - félig zsidó származású lévén - nem volt meg a makulátlan árjaságot bizonyító igazolványa, nevét is ekkor változtatta Signoret-ra. 1942-től majdnem tíz évig Yves Allegret rendezővel élt együtt, Cathérine lányuk szintén színésznő lett.

Signoret 1949 augusztusában találkozott az akkor már híres énekes Yves Montand-nal, s e találkozás mindkettejük életében sorsdöntőnek bizonyult. 1951-ben összeházasodtak, s több mint három évtizeden át elválaszthatatlan társak lettek.

Ezer szál kötötte őket egymáshoz, az azonos érdeklődéstől a határozott politikai állásfoglalásig, mégis mindketten szuverén alkotóegyéniségek tudtak maradni mindvégig.

Művészete az 50-es évek elején elmélyültebbé, érettebbé vált. 1952-ben nagy sikert aratott Jacques Becker Aranysisak című filmjében, s ettől kezdve egymást érték a jobbnál jobb szerepek: 1953-ban Thérese Raquin Marcel Carné filmjében, majd Clouzot Az ördöngösök és Rouleau Salemi boszorkányok című munkáiban csillogtatta meg tehetségét. 1958-ban elfogadta egy fiatal angol rendező, Jack Clayton meghívását, s Angliában leforgatta a Hely a tetőn című filmet. Nem számított ekkora sikerre: 1958-ban a Brit Filmakadémia díját, 1959-ben az Oscar-díjat, s még ugyanebben az évben Cannes-ban a legjobb női alakításért járó díjat is megkapta.

Signoret kitűnően beszélt angolul is, s többször is játszott Amerikában: a Stanley Kramer rendezte Bolondok hajójában és Sidney Lumet Sirály című Csehov-adaptációjában, Londonban a színpadon Lady Macbethet játszotta Alec Guinness oldalán, de a darab bukásnak bizonyult.

1970-ben - a Salemi boszorkányok után - újra Yves Montand-nal játszott Costa Gavras Vallomás című filmjében, amely Arthur London regénye nyomán készült a csehszlovákiai koncepciós perekről. 1971-ben újabb jelentős állomás A macska, amelyben partnere Jean Gabin volt.

Az idősödő, ám egyre karakteresebbé váló Signoret ezt követően minden évben készített egy-egy filmet, míg 1977-ben eljátszhatta a pályája csúcsát jelentő Madame Rosát, az Émile Ajar világsikerű regényéből készült Előttem az élet című film idős prostituáltját, amelyért megkapta a Francia Filmakadémia díját. 1982-ben állt utoljára kamera elé, ismét Simenon-adaptációban, Az egyiptomi utasban.

Ezt követően visszavonultan élt Autheuilben fekvő birtokukon, s itt is halt meg rákban 1985. szeptember 30-án. Sokoldalú művész volt: írt bestsellernek számító könyveket, fordított színdarabot, politikai elkötelezettsége, baloldalisága is ismert volt.