Nata in Tunisia da genitori italiani, è giocatrice della nazionale tunisina di basket ed esordisce come attrice proprio in Africa. Nel 1957, vinto un concorso di bellezza, si trasferisce in Italia, dove frequenta il Centro Sperimentale di Cinematografia. Ottenuto un contratto dal produttore Franco Cristaldi (che la sposa nel 1967), si fa subito notare nella parte della siciliana oggetto della morbosa gelosia del fratello ne “I soliti ignoti” (1958) di Mario Monicelli. Penalizzata nella commedia da una voce roca, sensuale, che per molto tempo i registi scelgono di doppiare, la Cardinale si impegna anche in ruoli drammatici, con risultati soddisfacenti: la servetta de “Un maledetto imbroglio” (1959) di Germi, la fidanzata del maggiore dei cinque protagonisti in “Rocco e i suoi fratelli” (1960) e la seducente Angelica de “Il Gattopardo” (1963) di Visconti, la ragazza evocata in “Otto e mezzo” (1963) di Fellini sono personaggi ben delineati, vividi, restituiti con intensità da un’attrice già padrona dei propri mezzi.
Le prove migliori del periodo, tuttavia, le fornisce nelle vesti di una ballerina dagli incerti confini morali ne “La ragazza con la valigia” (1961) di Zurlini e d’una campagnola innamorata di un ex-partigiano ne “La ragazza di Bube” (1963) di Comencini: ma non va trascurato il suo apporto a “I delfini” (1960) di Maselli, “Il bell’Antonio” (1960) e “Senilità” (1962) di Bolognini.
Frattanto, anche fuori dei confini patri si sono accorti del suo talento: il cinema hollywoodiano le offre valide occasioni ne “La pantera rosa” (1964) di Blake Edwards, “I professionisti” (1966) di Richard Brooks ed in numerose altre pellicole. E’ in casa nostra, tuttavia, che ella continua a dare il meglio di sé: in “Vaghe stelle dell’Orsa” (1965) di Visconti, ove è fra i dati positivi d’uno fra gli esiti di certo meno esaltanti del Maestro; nell’adattamento del moraviano “Gli indifferenti” (1964) firmato da Maselli, in cui eccelle nei panni di Carla; in “C’era una volta il West” (1968) di Sergio Leone, vedova di grande dignità e coraggio alle prese con un mondo che cambia. La seconda parte della sua carriera, spesa in gran parte sotto il segno d’un nuovo compagno, il cineasta Pasquale Squitieri, non le consente di rifulgere come in passato: è infatti diretta da altri (la Cavani ne “La pelle”, 1981; Werner Herzog in “Fitzcarraldo”, 1981; Bellocchio in “Enrico IV”, 1984) che, in questi anni, ella riesce a più compiutamente esprimersi. Merita segnalazione, pure, la passione da lei infusa nel bel film tv, “La storia”, che Comencini ricava dall’omonimo romanzo di Elsa Morante. Alla Mostra del cinema di Venezia, nel 1993, riceve un meritato Leone d’Oro alla carriera.