Famke Beumer Janssen nasce nel 1964 a Amstelveen, nei Paesi Bassi. Impara presto inglese, francese e tedesco, e dal 1984 si trasferisce negli Stati Uniti, perseguendo una carriera di modella che porterà avanti per tutti gli studi. Nel 1992 si laurea in discipline artistiche alla Columbia University, dopo aver studiato scrittura creativa e letteratura.
Il primo ruolo televisivo è quello di un'aliena in un episodio di Star Trek: The Next Generation, mentre al cinema compare per la prima volta in Presagio di morte (1992), con Jeff Goldblum.
Il 1995 è l'anno della notorietà internazionale, quando interpreta la fatale e supersexy Xenia Onatopp in 007 - GoldenEye (1995), vero rilancio della saga di James Bond con Pierce Brosnan. Da quel momento fino alla fine del decennio, per lei ci sono tanti piccoli ruoli in diversi film che non la vedono mai comunque star assoluta: tra questi segnaliamo Celebrity (1998) di Woody Allen e Il giocatore - Rounders (1998) con Matt Damon e Edward Norton. Un altro punto fermo della sua carriera arriva nel 2000, quando interpreta Jean Grey nel primo X-Men di Bryan Singer: ricoprirà il ruolo, che la vede peraltro amante di Wolverine - Hugh Jackman, anche in X-Men 2 (2003) e, in versione risorta e più cupa, in X-Men: Conflitto finale (2006), che le garantisce un Saturn Award per la miglior attrice non protagonista. Apparirà come allucinanzione di Wolverine anche in Wolverine - L'immortale (2013), e farà capolino brevemente in X-Men: Giorni di un futuro passato (2014). Nel frattempo nel 2004 in tv ha interpretato la life coach Ava Moore nella seconda stagione di Nip/Tuck, e dal 2013 è la matriarca della serie horror Hemlock Grove. Di recente al cinema è stata la moglie del personaggio di Liam Neeson nella serie di Taken, in tutti e tre i film, nonché la strega villain del folle Hansel & Gretel - Cacciatori di streghe (2013).
Ha debuttato alla regia con l'inedito Bringing Up Bobby (2011), da lei anche scritto, e interpretato da Milla Jovovich.