Její otec, Henri Seyrig, byl známý archeolog a působil při vykopávkách v Libanonu, kde se herečka také narodila; dětství pak strávila v několika různých zemích.

V padesátých letech 20. století začala vystupovat v divadle, a to v moderních hrách a v dramatech ruských klasiků. Na začátku 60. let začala hrát také ve filmu, svůj filmový debut si odbyla v krátkometrážním americkém snímku Pull my Daisy (1959) za herecké spoluúčasti celé tehdejší beat generation - Jacka Kerouacka, Allena Ginsberga a dalších.

Na začátku její herecké kariéry byla významná zejména její spolupráce s francouzským filmovým režisérem Alainem Resnaisem, se kterým natočila umělecky významné filmy Loni v Marienbadu (1961) a Muriel neboli v čase návratu (1963). Za druhý z nich byla oceněna na Benátském filmovém festivalu. Během kariéry spolupracovala s režiséry mnoha zemí a někdy točila také v Hollywoodu. Na přelomu šedesátých a sedmdesátých let 20.století účinkovala ještě ve vrcholných dílech Louise Buñuela a Josepha Loseye. Od sedmdesátých let se začala více objevovat v nezávislých produkcích často experimentálního charakteru anebo ve filmech režisérek.

V posledních patnácti letech života se stala kmenovou herečkou režisérek femi-filmu a queer-cinema Marguerite Duras, Chantal Ackerman a Ulrike Ottinger.

K jejím nejznámějším filmům patří vedle výše jmenovaných například Ukradené polibky režiséra Françoise Truffauta z roku 1968, Nenápadný půvab buržoazie od Luise Buñuela z roku 1972 anebo film India Song z režisérky a spisovatelky Marguerite Duras z roku 1975.

Seyrig příležitostně působila i jako filmová režisérka, její nejznámější projekt je dokumentární film Sois Belle et Tais-Toi (Buď krásná a zmlkni, 1981), v němž se ženské filmové hvězdy zpovídají ze svých frustrací způsobených genderovými stereotypy.

Manželem Delphine Seyrig byl americký malíř Jack Youngerman, později se s ním rozvedla. Zemřela ve věku 58 let na nádorové onemocnění plic.