Actriz, hija de uno de los personajes más importantes en la historia del cine, Charles Chaplin.

Después de residir en los Estados Unidos la primera parte de su niñez, Geraldine se trasladó con su familia a Suiza, en donde cursó sus primeros estudios. Más tarde estudió danza en el Royal Ballet de Londres.

En teatro participó como protagonista en la puesta en escena de La Cenicienta en 1963 en París y The Little foxes, dirigida por Mike Nichols en 1968.

Su debut en el cine se produjo en Candilejas (1952), película dirigida y protagonizada por su padre.

En los años 60 mantuvo una relación sentimental con el director español Carlos Saura, con quien colaboró profesionalmente en las películas Peppermint Frappé (1967), Stress-Es Tres-Tres (1968), La madriguera (1969), El jardín de las delicias (1970), Ana y los lobos (1973), Cría cuervos (1976), Elisa, vida mía (1977), Los ojos vendados (1978) y Mamá cumple cien años (1979).

Además, ha participado en películas como Doctor Zhivago (1965), novela de Boris Pasternak, dirigida por David Lean, Los Tres Mosqueteros (1973), dirigida por Richard Lester, Buffalo Bill (1976) y Un día de boda (1978), dirigidas por Robert Altman, La vida es una novela (1983), dirigida por Alain Resnais, La edad de la inocencia (1993), dirigida por Martin Scorsese y Hable con ella (2002), dirigida por Pedro Almodóvar, entre otras.

En 2003 ganó el Premio Goya como mejor actriz de reparto por la película En la ciudad sin límites y en 2008 estuvo nominada para este mismo premio como mejor actriz de reparto por la película El orfanato.