Joanne Gignilliat Trimmier Woodward a nagy gazdasági világválság idején született egy dél-georgiai kisvárosban, mozirajongó anyja Joan Crawford színésznő után nevezte el lányát. Anya és lánya Laurence Olivier nagy rajongója volt, ezért 1939-ben elutaztak Atlantába, az Elfújta a szél premierjére. A kilencéves lánynak a biztonságiak figyelmét kijátszva sikerült beugrania bálványa autójába, aki még negyven év múlva, első közös filmjük idején is élénken emlékezett az incidensre.

Woodward, aki tizenévesként számtalan szépségversenyt nyert, majd New Yorkban tanult színészetet, először a színpadon és a televízióban kapott lehetőséget. 1955-ben játszhatta el első nagyobb filmszerepét, az amerikai polgárháború utáni időkben játszódó Számolj hármat és imádkozz című alkotás árva lányát. Két évvel később az Éva három arca című lélektani dráma főszerepében már Oscar- és Golden Globe-díjjal jutalmazták - érdekesség, hogy a szerepet csak azután kapta meg, hogy azt többen is visszautasították. A gálán maga varrta, alig 100 dollár anyagköltségű, vállpánt nélküli zöld estélyit viselt, amelyet éppen Joan Crawford szólt le "Hollywood ragyogását beárnyékoló snasszerájként".

Woodward 1958-ban a Hosszú, forró nyár forgatásán ismerkedett meg a Ben Quicket alakító, acélkék szemű Paul Newmannel. Egymásba szerettek és összeházasodtak, a házasság egész életre szólt, Newman 2008-ban bekövetkezett haláláig tartott. 1960-ban Sidney Lumet rendezte a Tennessee Williams darabja nyomán készült Orpheusz alászáll című drámában, partnere Marlon Brando volt. A hatvanas évek első felében egy-két jelentéktelen filmet forgatott, ezek közül csak az 1963-as A vetkőzőnő nevezetes, az is arról, hogy sztriptízjelenetét férjének is jóvá kellett hagynia. Newmannel 1964-ben a Broadwayn játszottak együtt, James Costigan Csak egy csók című vígjátékában. A színésznő ezután visszavonult, évekig csak családjának élt.

Csak 1968-ban tért vissza a női lélek rejtelmeit boncolgató, férje által rendezett, Rachel, Rachelben, amelyért ismét Oscar-díjra jelölték. A házaspár egy év múlva együtt szerepelt a Győztes című, autóversenyzésről szóló filmben, majd a politikai töltetű WUSA című drámában, amely New Orleans fajgyűlölő titkos rádióadójának gyilkos hétköznapjait mutatta be. A liberális nézeteit felvállaló házaspár számtalan alkalommal emelte fel szavát a kisebbségek érdekében, bátor kiállásukért 1992-ben megkapták a Kennedy Center díját.

Ismét férje rendezte 1972-ben A gammasugarak hatása a százszorszépekre című filmben, és az elkeseredett, részeges anya megformálásáért a cannes-i filmfesztiválon a legjobb női alakítás díjával jutalmazták. 1973-ban a Summer Wishes, Winter Dreams című drámában jelölték harmadszor a filmvilág legrangosabb kitüntetésére. A házaspár 1990-ben a Mr. és Mrs. Bridge című filmdrámában szerepelt újra együtt, Woodwardot alakításáért negyedik alkalommal jelölték Oscar-díjra.

A nyolcvanas években egyre többet játszott színpadon és tévéfilmben, Emmy-díjjal háromszor ismerték el, utoljára 75 évesen A múlt fogságában című sorozatban nyújtott alakításáért jelölték.

Woodward 1984-ben próbálkozott meg először a rendezéssel, tíz évvel később James Deanről készített tévéfilmet. 1993-ban az AIDS-betegséget a középpontba állító Philadelphia című filmben a főszereplő anyját formálta meg, ugyanabban az évben Az ártatlanság kora című a Scorsese-film narrátora volt, és hangját kölcsönözte egy náci koncentrációs táborokból megmenekült gyerekekről szóló tévés dokumentumfilmhez. 2010-ben John Mellencamp rockénekes On the Rural Route 7609 című gyűjteményes albumán szerepelt, közösen adták elő Mellencamp egyik dalát. Woodward egyik producere volt a 2013-ban bemutatott, még férje által elkezdett Lucky Them című drámának, amelyben hangja is hallható.

Joanne Woodward volt az első sztár, aki abban a megtiszteltetésben részesült, hogy - 1960 februárjában - csillagot kapott a hollywoodi hírességek sétányán. A filmjeiben legtöbbször mentálisan vagy érzelmileg zavart nőket alakító színésznő a való életben boldog házasságban élt férjével, akitől három gyermeke született. Azon kevés színésznők egyike, akiket férjük rendezésében jelöltek Oscar-díjra. Két éve Newman és Woodward csókja került rá a cannes-i filmfesztivál plakátjára: a felvételt a New Kind of Love című film forgatása során, még 1963-ban készítették. A házaspár nevéhez több jótékonysági akció is fűződik: a salátaöntetekkel és tésztaszószokkal foglalkozó Newman's Own nevű vállalkozásuk bevételének egy részét humanitárius célokra fordították, és tábort alapítottak rákos gyerekek nyaraltatására.