Son père Henri Seyrig est archéologue, directeur du Service des Antiquités au Liban à la naissance de sa fille, sa mère Hermine de Saussure (décédée en 1984) est une navigatrice, descendante directe d'Henri de Saussure (1829-1905) et amie d'Ella Maillart.
Delphine Seyrig passe son enfance dans plusieurs pays et poursuit sa scolarité comme interne au collège Cévenol (1947-1950). Dès seize ans, elle prend des cours d'art dramatique avec Pierre Bertin et Tania Balachova. À vingt ans, elle décroche son premier rôle dans lAmour en papier de Louis Ducreux. Delphine envisage d'entrer au TNP, mais sa voix est jugée trop particulière. Elle part pour les États-Unis et après avoir pris des cours à l'Actors Studio, y tourne son premier film, Pull My Daisy, de Robert Frank (1958). Alain Resnais la découvre lors de son séjour à New York à l'automne 1959, alors qu'elle joue dans la pièce d'Ibsen, Un ennemi du peuple. En 1960, elle revient à Paris, où elle joue Un mois à la campagne d'Ivan Tourgueniev sous la direction d'André Barsacq au Théâtre de l'Atelier. Resnais l'engage alors pour jouer dans L'Année dernière à Marienbad. Le film remporte un grand succès et donne à Delphine Seyrig une immense notoriété. Alain Resnais lui confiera également en 1963 le rôle d’Hélène Aughain dans Muriel, ou le temps d'un retour. Au théâtre, elle interprétera Jean-Claude Carrière (L'Aide-Mémoire), Harold Pinter (La Collection, L'Amant), Peter Handke (La Chevauchée sur le lac de Constance), le plus souvent sous la direction d'André Barsacq ou de Claude Régy.
En 1968, sous la direction de François Truffaut, elle joue la troublante Fabienne Tabard dans Baisers volés. Dans ce film charnière du cycle Antoine Doinel, elle est à la fois l'incarnation de la femme romantique et inaccessible, mais aussi la représentation de la femme réaliste et maîtresse de son destin. Antoine Doinel, dans Baisers volés, dit du personnage interprété par Delphine Seyrig : « Madame Tabard est une femme exceptionnelle, Madame Tabard, c'est... c'est une apparition ! ». Delphine Seyrig trouve en Alain Resnais et en François Truffaut deux réalisateurs qui, en quelques films, la rendent inoubliable, en particulier par le timbre de sa voix que Michael Lonsdale compare à un violoncelle.
Au cinéma, elle tourne avec les meilleurs : William Klein (Qui êtes-vous, Polly Maggoo ?, 1966 et Mister Freedom, 1968) ; Marguerite Duras (La Musica, 1966, India Song, 1975 et Baxter, Vera Baxter, 1977) ; Joseph Losey (Accident, 1967) ; Jacques Demy (Peau d'Âne, 1970) ; Luis Buñuel (La Voie lactée, 1969 et Le Charme discret de la bourgeoisie, 1972) ; Chantal Akerman (Jeanne Dielman, 23, quai du commerce, 1080 Bruxelles, 1975). Elle joue avec Sami Frey, son compagnon, dans le film ovni Le Journal d'un suicidé de Stanislav Stanojevic, sélectionné à Cannes et à Venise en 1972.
Pour la télévision, elle interprétera {{Mme}}de Mortsauf dans l'adaptation du Lys dans la vallée tournée par Marcel Cravenne en 1970.
Parallèlement à sa carrière artistique, elle mène aussi, souvent aux côtés de Marguerite Duras, une vie de militante. En 1982, elle fonde avec Carole Roussopoulos et Ioana Wieder le Centre audiovisuel Simone de Beauvoir.
Elle meurt en 1990, à 58 ans, des suites d'un cancer de l'ovaire. Elle repose au cimetière du Montparnasse à Paris.