Elle décide alors d'aller en France pour tenter sa chance comme actrice. Elle est engagée après des essais désastreux (elle finira en pleurs) pour le film Slogan de Pierre Grimblat sur lequel elle rencontre l'acteur et auteur-compositeur-interprète-cinéaste français Serge Gainsbourg. Grimblat raconte qu'au début du tournage, Birkin et Gainsbourg ne s'entendaient pas du tout (Gainsbourg sortait de sa relation avec Brigitte Bardot et n'appréciait pas trop cette Anglaise qui faisait des fautes de français) et qu'il les a invités à dîner au restaurant Maxim's, dîner auquel il n'est pas allé.

Elle devient alors la compagne de Serge Gainsbourg ; ils sont pendant dix ans un couple très médiatique, et ont une fille, Charlotte Gainsbourg, en 1971. Elle s'accorde une pause dans sa carrière de 1971 à 1972, suite à la naissance de Charlotte. Elle apparaît dans un rôle comme l'amant de Brigitte Bardot dans Don Juan ou si Don Juan était une femme en 1973. En 1975, elle a un des rôle principaux dans le premier film de Serge en tant que réalisateur, Je t'aime...moi non plus qui attire l'attention et le scandale au sujet du film qui évoque l'ambiguïté sexuelle et la sodomie. Pour sa performance, elle est nommée au César de la meilleure actrice.

Elle quitte Serge Gainsbourg. Plusieurs raisons sont avancées : l'alcool, le mode de vie et même des coups qu'elle a reçus d'après le propre aveu de Serge Gainsbourg (aveu qu'il fait à sa première femme). Après cette rupture, elle est, de 1980 à 1992, la compagne du réalisateur Jacques Doillon, avec lequel elle a une fille, Lou Doillon. On lui connaît ensuite une relation avec l'auteur Olivier Rolin.

En mars 1991, Jane Birkin a perdu à quelques jours d'intervalle Serge Gainsbourg (mort le 2 mars) et son père David Birkin (mort le 7 mars à 77 ans, le jour même des obsèques de Serge).

Par ailleurs, Jane Birkin s'investit dans des actions humanitaires (avec entre autres Amnesty International), et a été la marraine du Téléthon en 2001.