Fille de l'écrivaine Geneviève Serreau et du metteur en scène Jean-Marie Serreau, Coline Serreau possède un bagage artistique varié puisqu'elle a effectué des études de Lettres, a suivi au Conservatoire National Supérieur de musique de Paris les classes d'histoire de la musique et d'esthétique de Norbert Dufourcq et deMarcel Beaufils, et a étudié l'orgue avec Micheline Lagache, puis à la Schola Cantorum dans la classe de Jean Langlais.

Elle a fréquenté pendant de nombreuses années, et dès son ouverture, l’École du cirque d'Annie Fratellini où elle pratiquait le trapèze en grand ballant. Attirée par le théâtre, elle entre comme apprentie comédienne au Centre national de La Rue Blanche en 1968.

En 1975, elle réalise son premier film Mais qu'est-ce qu'elles veulent, film sur la condition des femmes. En 1977, elle réalise son second film Pourquoi pas, qui réunit Sami Frey, Mario Gonzales et Christine Murillo. En 1981, elle réalise Qu'est-ce qu'on attend pour être heureux, satire du monde de la publicité.

En 1985, elle réalise Trois Hommes et un couffin, 12 millions d'entrées, trois Césars (meilleur film, meilleur scénario, meilleur second rôle masculin à Michel Boujenah) nominé aux Oscars et aux Golden Globes comme meilleur film étranger. La société Disney en a produit un remake : Three men and a baby,dont elle a écrit le scenario qui a remporté aux USA un succès équivalent à celui du film français.

Elle réalise ensuite les films dont elle est toujours l'auteur des scénarios : Romuald et Juliette en 1989, avec Daniel Auteuil et Firmine Richard ; La Crise (César du meilleur scénario) en 1992, avec Vincent Lindon et Patrick Timsit ; La Belle Verte en 1996, avec Vincent Lindon et Coline Serreau ; Chaos en 2001 avec Catherine Frot, Line Renaud, Vincent Lindon et Rachida Brakni (César du meilleur espoir féminin) ; 18 ans après en 2003, avec Roland Giraud, Michel Boujenah, André Dussolier, Madeleine Besson, Line Renaud ; Saint-Jacques... La Mecque en 2005, avec Muriel Robin, Arthus de Penguern, Jean-Pierre Daroussin ; Solution slocales pour un désordre global en 2010, documentaire sur l'écologie ; Tout est permis en 2012, reportage sur la France et l'automobile ; Couleur locale en 2014 (Co-écriture avec Samuel Tasinaje) avec Isabelle Nanty ; Pierre Brossolette en 2015 à l'occasion de son entrée au Panthéon (Co-écriture avec Samuel Tasinaje) avec Julien Baumgartner et Léa Drucker.

Elle a joué comme actrice dans de nombreux spectacles de théâtre dont Comme il vous plaira de Shakespeare, rôle de Rosalinde, mise en scène de Benno Besson à la Cour du Palais des Papes en Avignon, au Tep à Paris, et en tournée en Suisse et en Belgique ; Le cercle de craie Caucasien de Bertolt Brecht créé dans la cour du Palais des Papes en Avignon en 1977, repris au TEP et dans l'Europe francophone, spectacle remonté en 2001 au théâtre de la Colline (trois Molières) et en tournée. En 2006, elle joue Arnolphe dans L'école des femmes de Molière, spectacle qu'elle a mis en scène au théâtre de la Madeleine.

Les pièces dont elle est l'auteur et l'actrice principale : Lapin Lapin, au théâtre de la Ville, au Théâtre de la Porte Saint Martin et en tournée, puis jouée en Italie, en Scandinavie, et surtout en Allemagne où 250 mises en scène ont été réalisées ; Quisaitout et Grobêta (cinq Molières) à Paris (trois saisons) et en tournée, 500 représentations, puis jouée en Allemagne, en Suisse, en Scandinavie et en Italie ; Le Salon d'été, six mois au théâtre des Bouffes Parisiens et six mois en tournée ; Le théâtre de verdure, joué à la Comédie de Genève avec Samy Frey, Gilles Privat et Sonia wieder-Atherton.

Elle a mis en scène à l'Opéra Bastille : La Chauve-Souris de Johan Strauss en 2000 (quatre reprises) ; Le Barbier de Séville de Rossini, créé en 2001 avec Joyce di Donato dans le rôle de Rosine, spectacle repris tous les ans pendant neuf ans ; Manon de Jules Massenet avec Nathalie Dessay.

Elle dirige depuis 2007 le Choeur Delta (80 concerts en 2017) qui donne des concerts à Paris, Venise, en Bretagne, dans les Pays de Loire et dans la Drôme (tournée d'une cinquantaine de concerts tous les étés).

En janvier 2019, elle met en scène sa pièce LAPIN LAPIN à Berlin au Schiller Theater, avec Katarina Talbach, Pierre Besson, Philippe Besson, Johanna Schall-Brecht, reprise en septembre. La même année, elle publie son livre #COLINESERREAU chez Actes Sud et s’installe à l'académie des Beaux-Arts au fauteuil de Pierre Schoendoerffer.

Elle est nommée officier (1994) puis commandeur (1999) de l'ordre des Arts et Lettres. Elle est nommée chevalier (1990) puis officier (2011) de l'ordre National du Mérite. Elevée au grade de chevalier de la Légion d'honneur (2004) par Jacques Chirac, puis d'officier de la Légion d'honneur (2016), médaille remise par Hugues Gall. Elle a été élue membre de l'académie des Beaux-Arts (2018).

En 2023, création du "seule en scène" : La belle histoire de Coline Serreau au Théâtre Michel.