Après un parcours en droit et des études à la FEMIS en département scénario, elle réalise trois courts métrages. Son premier court-métrage, Kitchen, est sélectionné en compétition officielle à Cannes en 2005 et y reçoit le prix Gras Savoy du court-métrage. Avant de réaliser son premier long-métrage, Alice Winocour participe à l'écriture de Home d'Ursula Meier (Semaine de la Critique, 2008) puis co-signe le scénario du film de Vladimir Perisic, Ordinary people (sorti en 2009), sélectionné à la Semaine de la Critique en 2009.
En 2014, elle co-écrit avec sa réalisatrice le scénario du film Mustang, présent en 2015 à la Quinzaine des réalisateurs.
Son premier long métrage, Augustine,qui se fonde sur les relations entre le professeur Charcot et sa patiente Augustine, a été présenté au Festival de Cannes 2012 dans le cadre de la Semaine de la critique.
Son second long métrage, Maryland, qui réunit Diane Kruger et Mathias Schoenaerts, est en compétition dans la sélection Un certain regard au Festival de Cannes 2015 et est présenté au Festival international du film de Toronto (TIFF 2015) en séance de Gala.