Die gebürtige Wienerin studierte Tanz und Schauspielerei an der Akademie für Darstellende Kunst. Mit siebzehn Jahren wird Senta Berger jüngstes Ensemblemitglied am Theater in der Josefstadt, bereits zwei Jahre später erhält sie Angebote für erste Filmrollen. In "Der brave Soldat Schweijk" spielt sie an der Seite von Heinz Rühmann die Gretl. 1961 steht sie in "Das Wunder des Malachias" unter der Regie von Bernhard Wicki vor der Kamera. Noch im selben Jahr gelingt ihr der Durchbruch mit der Verfilmung des Bestsellers von Johannes Mario Simmel "Es muss nicht immer Kaviar sein". In den sechziger und siebziger Jahren dreht Senta Berger überwiegend im Ausland, vor allem in den USA, Italien und Frankreich. In Hollywood arbeitet sie u.a. mit den Regisseuren Sam Peckinpah ("Sierra Charriba", 1965), Terence Young ("Das Quiller-Memorandum", 1966) zusammen. In Italien überzeugt sie im gleichen Jahr mit Nino Manfredi in Dino Risis hintergründiger Komödie "Unser Boss ist eine Dame". In Frankreich ist sie 1967 Alain Delons Filmpartnerin in Julien Duviviers Thriller "Mit teuflischen Grüßen". Nach weiteren erfolgreichen Jahren kehrt Senta Berger nach Deutschland zurück, wo sie 1977 unter anderem in Wim Wenders' einzigem Kostümfilm "Der scharlachrote Buchstabe" mitwirkt. Mit großem Erfolg nimmt ihre Theaterarbeit wieder auf und steht am Wiener Burgtheater, am Hamburger Thalia Theater und am Berliner Schillertheater auf der Bühne. Ihre Rolle der "Buhlschaft" im "Jedermann"bei den Salzburger Festspielen und die damit verbundene Popularität nutz sie , um dem Publikum in vielen Rezitationsabenden Literaturprogramme vorzustellen.

Nach Theater und Kino startet Senta Berger im Fernsehe ihre dritte Karriere. Ihre Darstellung der Schimmerlos' Freundin Mona in Helmut Dietls Kult-Serie "Kir Royal" (1986) und die Titelrolle der Münchner (und ab 2003 Berliner) Taxifahrerin in der Serie "Die schnelle Gerdi" machen sie zum Publikumsliebling. Seit 2006 ist Senta Berger die Ermittlerin Eva Maria Prohacek in der Reihe "Unter Verdacht" Für ihre Darstellung der Leiterin der Abteilung für Wirtschaftskriminalität im Münchner Kommissariat wird sie 2003 mit dem Grimme Preis ausgezeichnet. In zwei Folgen führte Isabel Kleefeld Regie. In deren jüngster Produktion, der Familienkomödie "Mama kommt!", ist Senta Berger ebenfalls in einer Hauptrolle zu sehen. 2006 erscheint ihre Autobiografie "Ich habe ja gewusst, dass ich fliegen kann". Das Buch wird schnell zum Bestseller.

Senta Berger ist seit 1966 mit dem Regisseur und Autor Michael Verhoeven verheiratet. Gemeinsam gründen sie die Produktionsfirma "Sentana", die zahlreiche preisgekrönte Filme produzierte, darunter Michael Verhoevens  im Jahr 1991 für den Oscar nominierte Regiearbeit "Das schreckliche Mädchen" und "Die weiße Rose" (1982). Die u.a. mit einem Bundesverdienstkreuz ausgezeichnete Künstlerin ist seit 2003 Präsidentin der Deutschen Filmakademie.