Elle est la fille du gouverneur colonial Georges Pisier (1910-1986), qui accomplit une brillante carrière dans la France d'outre-mer.

En 1961, pour donner la réplique à Jean-Pierre Léaud, alias l'Antoine Doinel du sketch Antoine et Colette (un court métrage de L'Amour à vingt ans), François Truffaut recherche une adolescente, « pas une lolita, pas une blousonne, pas une petite jeune femme ». Elle doit être simple, rieuse et avoir une bonne culture moyenne. Pisier, qui fait alors partie d'une troupe de théâtre amateur, est choisie par le cinéaste. On la retrouvera, dix-sept ans plus tard, incarnant le personnage de Colette dans L'Amour en fuite, dernière aventure de Doinel coécrite par la comédienne en 1978. Elle y croise Léaud dans le train et, à la fin du film, dans une scène émouvante, elle croise également Claude Jade, successivement la maîtresse, la femme et l'ancienne femme de Doinel. Entre-temps, Marie-France Pisier est devenue une égérie du cinéma d'auteur, apparaissant dans les univers oniriques d' Alain Robbe-Grillet, Luis Buñuel, Jacques Rivette et surtout du jeune André Téchiné. Grâce à ce dernier, elle obtiendra deux fois le César du meilleur second rôle, en 1976 et 1977. En 1976, année de la consécration, les Césars récompensent aussi l'actrice pour sa prestation dans Cousin, cousine de Jean-Charles Tacchella.

Intellectuelle engagée dans les combats de son époque (elle fut en 1968 jeune étudiante à Nanterre membre du mouvement du 22 Mars), Pisier prend part à plusieurs succès populaires. Partenaire de Jean-Paul Belmondo dans Le Corps de mon ennemi d'Henri Verneuil en 1976 et dans L'As des as de Gérard Oury en 1982, elle joue l'année suivante une productrice cynique avec Le Prix du danger d'Yves Boisset. Plus rare sur les écrans dans les années 90, on retiendra son émouvante composition dans Marion, une femme en mal d'enfant dans le film de Manuel Poirier, et son interprétation de Mme Verdurin dans Le Temps retrouvé de Raoul Ruiz. Sollicitée par les jeunes auteurs, elle tourne ensuite avec Laurence Ferreira Barbosa, Christophe Honoré et Maïwenn dans Pardonnez-moi qui sera doublement nommé aux Césars 2007.

Le 24 avril 2011, elle est retrouvée inanimée dans la piscine de sa résidence à Saint-Cyr-sur-Mer.

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