Sa carrière cinématographique s’étend sur quatre décennies, du début des années 1930 au début des années 1970, période pendant laquelle elle tourne près de quarante films en France, en Italie, en Allemagne, en Grande-Bretagne et à Hollywood, pour des metteurs en scène aussi prestigieux que Jean Renoir, Jacques Tourneur, Max Ophüls ou Marc Allégret. Elle reste à la postérité pour deux films particulièrement marquants : La Bête humaine de Jean Renoir (1938) et La Féline (1942) que Jacques Tourneur réalise à Hollywood. Alors qu’elle n’est encore qu’une adolescente, elle travaille comme mannequin, dessine des robes et monte sur scène dans des comédies musicales. Mais c’est en 1931 qu’elle est remarquée à la terrasse du Café de la Paix à Paris, par Victor Tourjansky, réalisateur russe qui a émigré en France. Il lui offre son premier rôle dans Le Chanteur inconnu et la refait tourner dans Les Yeux noirs (1935) avec Jean-Pierre Aumont. Elle est révélée en 1934 dans Lac aux dames de Marc Allégret, avec lequel elle a une liaison entre 1931 et 1933. Elle est désormais une valeur sûre du cinéma français où on la définit comme une « sauvage tendre ».
À la déclaration de la Seconde Guerre mondiale, Simone Simon décide de retourner aux États-Unis. Ce second séjour sera plus fructueux, et elle incarne Belle, dans le film de William Dieterle The Devil and Daniel Webster (1941), puis Irena Dubrovna dans La Féline (1942), célèbre film fantastique de Jacques Tourneur. On la voit également dans plusieurs films plus mineurs comme Mademoiselle Fifi de Robert Wise (1944).
À la fin de la guerre, elle rentre en France et tourne encore dans une dizaine de films, avant de se consacrer exclusivement au théâtre à partir du milieu des années 1950. On la verra une dernière fois sur l’écran dans La Femme en bleu de Michel Deville en 1973. Parmi les nombreuses propositions refusées, citons celle de François Truffaut pour La Nuit américaine (1973) : son personnage sera réécrit pour l'Italienne Valentina Cortese qui sera nommée à l' Oscar de la meilleure actrice pour un second rôle.
Simone Simon ne s’est jamais mariée, et eut un fils : François Simon Bessy dit Fabrice (animateur radio). Simone Simon a également abordé la scène et le disque avec un succès certain, sa meilleure prestation restant son rôle de Maricousa dans Toi, c'est moi, opérette de Moisés Simons et Henri Duvernois, dont la première eut lieu à Paris au théâtre des Bouffes-Parisiens le 19 septembre 1934.
Elle meurt à Paris à l'âge de 93 ans, de causes naturelles.
Elle est inhumée au cimetière de Château-Gombert à Marseille (Bouches-du-Rhône)
Un triangle amoureux. Deux hommes, Boris et Pierre, vivent avec Sylvie au Quartier Latin. Quand le premier meurt, la jeune femme refuse l'amour du second, en souvenir du défunt, qui éprouvait les mêmes sentiments pour elle.
