A Párizshoz közeli Sceaux városkában született. Gyermekkora nem volt boldog: négyévesen nevelőszülőkhöz került, anyja csak azután vette ismét magához, hogy férjhez ment egy mészároshoz. Tucatnyi iskolából tanácsolták el, tanulmányait tizenöt évesen félbehagyta. Mostohaapja üzletében dolgozott, az állást és otthonát tizenhét évesen hagyta ott. Harcolt ejtőernyősként Indokínában, volt futár, portás és pincér, utóbbi minőségében ismerkedett meg a színész Jean-Claude Brialyval, aki magával vitte a cannes-i filmfesztiválra: a rendezők és a producerek a sármos Delonban vélték felfedezni James Dean francia megfelelőjét.

A filmvásznon 1957-ben egy krimiben debütált, azonnal népes női rajongótáborra tett szert. Néhány romantikus és szentimentális vígjátékot követően 1958-ban forgatott először együtt a szintén kezdő Jean-Paul Belmondóval a Légy szép, és tartsd a szád! című filmben (később a Borsalinóban is együtt játszottak). Ugyancsak 1958-ban, a Christine című film készítése közben ismerkedett meg Romy Schneiderrel, akivel magánéletüket is összekötötték. Viharos viszonyuk 1963-ban ért véget, Delont - aki levélben jelentette be a szakítást - sokan azzal vádolták, hogy összetörte a gyönyörű Romy szívét. 1968-ban együtt forgattak A medence című lélektani drámában, a levegő még ekkor, a filmvásznon is vibrált közöttük. Dolgoztak együtt a színpadon is, 1961-ben a Luchino Visconti által rendezett Kár, hogy kurva című darabban.

Delont az 1960-ban készült Ragyogó napfény című krimi tette nemzetközi sztárrá. A csábító gyilkos, az angyali külső mögött lakozó ördögi lélek megformálásával bizonyította, hogy valóban tehetséges. Mintegy száz filmet forgatott, köztük klasszikussá vált alkotásokat, mint a Luchino Visconti rendezte Rocco és fivérei, A párduc (alakításáért Arany Glóbusz-díjra jelölték), Michelangelo Antonioni Napfogyatkozása és legkedvesebb filmje, a Klein úr. Igazi műfaja a bűnügyi film (Zsaru, A zsaru szava, Ne ébreszd fel az alvó zsarut!) és a kalandfilm (A fekete tulipán, Kalandorok, Zorro) volt. A szamuráj című filmjében teremtette meg a komor, hideg, hátborzongatóan nyugodt gyilkos figuráját.

Akár rendőrt, akár bűnözőt alakított, a filmvásznon mindig magányos és titokzatos maradt. 1981-ben rendezőként is bemutatkozott az Egy zsaru bőréért, majd két évvel később A kíméletlen című filmmel. 1984-ben César-díjjal (az Oscar-díj francia megfelelőjével) jutalmazták A mi történetünk című moziban nyújtott alakításáért. Ugyanebben az évben Jeremy Irons és Ornella Muti partnere volt a Swann szerelme című filmben. 1989-ben szerepelt Jean-Luc Godard Új hullám című alkotásában, a kilencvenes évek elején pedig sajátos öniróniával játszotta el az öregedő nőcsábászt a Casanova visszatér című filmben. Bár Amerikában többször is próbálkozott, Hollywoodot nem sikerült meghódítania.

1999-ben bejelentette, hogy nem forgat többé, de fogadalmát nem tartotta be. Az őszülő hajú szívtipró krimikben és Asterix-filmben is szerepelt. A színpadtól sem távolodott el, három éve Anouchka lányával az Egy közönséges nap című színdarabbal bejárta Franciaországot.

Nemcsak színészként sikeres: a hatvanas években Dalidával közösen előadott Paroles című számuk világsláger lett, nevével férfiruházatot, cigarettát, italt és illatszert is forgalmaznak. Szabadidejében lóversennyel, műgyűjtéssel foglalkozik, bár az elmúlt években festmény-, bor-, továbbá páratlan óra- és fegyvergyűjteménye egy részét árverésre bocsátotta.

Pályafutását botrányok szegélyezték: ült engedély nélküli fegyvertartásért, vádolták maffiakapcsolatokkal, a hatvanas évek végén testőre titokzatos halála sötét politikai hátterű bűnügy középpontjába állította. Magánéletével is sokszor került a lapok címoldalára. Romy Schneiderrel folytatott románca közben született fia a modell-énekesnő Nicótól. 1964-ben elvette Anthony nevű fiának anyját, akitől Mireille Darc kedvéért vált el. 1987-ben Svájcban telepedett le manöken feleségével, akitől két gyermeke született, de ez a házassága is válással ért véget.

Művészete elismeréseként 1990-ben megkapta a Becsületrendet, 1995-ben életművéért a Berlinale Arany Medve díját. 2012-ben a locarnói nemzetközi filmfesztivál életműdíjával tüntették ki. A következő évben előtte tisztelgett a cannes-i filmfesztivál, ahol a René Clément rendezésében készült Ragyogó napfény című film felújított változatát mutatták be.

A népszerű francia filmsztárnak az utóbbi időben több egészségügyi problémája volt. Néhány éve szívritmuszavar miatt operálták, az elmúlt évben pedig arcidegproblémák és visszatérő fejfájás miatt műtötték meg.