Fille de l'écrivain Geneviève Serreau et du metteur en scène Jean-Marie Serreau, Coline Serreau a fait des études de Lettres, fréquenté le conservatoire de musique, l’école du cirque d'Annie Fratellini (où elle apprend le trapèze). Elle a fait aussi de la danse classique et moderne.
Attirée par le théâtre, elle entre au centre de La Rue Blanche en 1968, elle est stagiaire à la Comédie-Française en 1969, avant de s'orienter vers l'écriture de scénarios pour le cinéma et le théâtre, et la mise en scène au théâtre, au cinéma et à l'opéra.
En 1975, elle se lance dans la réalisation cinématographique et connaît un vrai succès auprès de la critique en 1977 avec son second film Pourquoi pas !, qui réunit Sami Frey, Mario Gonzales et Christine Murillo et traite d'un trio amoureux composé de deux hommes vivant en couple et de leur amie commune.
En 1985, Trois hommes et un couffin apparaît sur les écrans de cinéma. Avec plus de 12 millions d'entrées, il compte parmi les records du nombre d'entrées pour un film français. Elle réalise ensuite Romuald et Juliette, La Crise (César du cinéma du meilleur scénario), La Belle Verte, Chaos, 18 ans après, Saint-Jacques… La Mecque et Solutions locales pour un désordre global en 2010, Tout est permis en 2013 et Couleur locale en 2013.
Elle a également joué dans de nombreux spectacles de théâtre qu'elle a écrits ou non : Lapin Lapin, Quisaitout et Grobêta (cinq Molières), Le Salon d'été et Le Cercle de craie Caucasien de Bertolt Brecht. En 2006, elle joue Arnolphe dans L'École des femmes de Molière, spectacle qu'elle a mis en scène au théâtre de la Madeleine. Elle a également mis en scène à l'Opéra Bastille Le Barbier de Séville de Rossini et La Chauve-Souris de J. Strauss.
Elle a été longtemps la compagne du metteur en scène de théâtre suisse Benno Besson, qui fut le codirecteur du Berliner Ensemble avec Bertolt Brecht.
Elle a composé la musique de quelques-uns de ses films et dirige la Chorale du Delta.
Elle a été décorée de la Légion d'honneur le {{Date}} par Jacques Chirac.