Edda van Heemstra Hepburn-Ruston néven a belgiumi Ixelles-ben jött világra, apja angol-ír származású bankár volt, anyja dán bárónő. A gyermek Audrey gondos nevelésben részesült, szülei már ötévesen egy London közeli bentlakásos leányiskolába íratták. Egy évvel később apja elhagyta a családot, anyja pedig két fiával és kislányával Hollandiába költözött. A világháború után Audrey Londonba utazott, hogy az előkelő Rambert balettintézetben tanuljon.
A tánc mellett modellkedést vállalt, és színi tanulmányokat is folytatott. Mint tánckari balerina a színpadon 1948-ban debütált, és a következő években filmekben is kapott kisebb táncos szerepeket. Ezek valamelyikében látta meg Colette, a híres francia írónő, akinek rábeszélésére 1951-ben elvállalta a címszerepet a Gigi színpadi változatában.
A fiatal lány New Yorkba költözött, nagy sikert aratott a Broadwayn a Gigi-ben, és szinte azonnal felfigyelt rá Hollywood is. William Wyler 1951-ben rábízta Ann hercegnő szerepét a Római vakáció című filmben, amelyért megkapta a filmszakma legmagasabb elismerését, a legjobb női főszerepért járó Oscar-díjat. A közönségsiker sem maradt el, az egész világot elbűvölte a bájos, filigrán, de egyúttal természetes Audrey Hepburn, akinek előkelő megjelenése, visszafogott nőiessége képes volt legyőzni az ötvenes évek filmvilágának kebelbombáit is. Már puszta megjelenésével, eleganciájával megváltoztatta az akkori divatot. Sokat adott a megjelenésére, 1961-től folyamatosan a legjobban öltözöttek listáján szerepelt.
Sorra jöttek a filmfőszerepek, nagynevű rendezők irányításával: Natasa Rosztova volt King Vidor Háború és béké-jében (1956), Gary Cooperrel játszott együtt a Délutáni szerelem-ben (1957). Fred Zinnemann rendezte az Egy apáca történeté-t (1959), amelyért ismét Oscarra jelölték. Bolondos fiatal lányt játszott a Truman Capote Reggeli Tiffanynél című regényéből készült vígjátékban (Álom luxuskivitelben, 1961), vak nőt a Várj, míg sötét lesz című thrillerben (1967).
George Cukor 1964-ben őt választotta Elisa szerepére a My Fair Lady hollywoodi változatában, a musicalszerephez az énekhangot Julie Andrews kölcsönözte. Remek volt a kettősük Peter O'Toole-lal a Hogyan lopjunk egymilliót?-ban.