Berühmt wurde Brigitte Fossey als Sechsjährige, als sie eine der Hauptfiguren in dem oscarprämierten Antikriegsdrama Verbotene Spiele (1952) von René Clément verkörperte. Die Dreharbeiten fanden in den Schulferien statt, und Fossey erhielt außergewöhnliches Kritikerlob für ihre Darstellung einer Kriegswaisen. Da ihre Eltern wollten, dass sie unter normalen Umständen aufwuchs und eine reguläre Schulbildung erhielt, stand sie in der Folgezeit kaum vor der Kamera. Eine Ausnahme bildete ihr Auftritt in Gene Kellys Musicalfilm Straße des Glücks von 1956.
Ende der 1960er Jahre schaffte Fossey als junge Erwachsene ein schauspielerisches Comeback. Von da an arbeitete sie vorwiegend im Autorenkino, etwa für François Truffaut in Der Mann, der die Frauen liebte (1977) und für Hans W. Geißendörfer in Die gläserne Zelle (1978). Die Filme Der Gute und die Bösen (1976) und Die verschworenen Kinder (1977) brachten ihr Nominierungen für den französischen Filmpreis César ein. Anfang der 1980er Jahre spielte sie in den La Boum-Komödien an der Seite von Claude Brasseur die Mutter der Hauptfigur Victoire Beretton (Sophie Marceau). In der Langfassung von Giuseppe Tornatores Film Cinema Paradiso (1988) übernahm Fossey die Rolle der älteren Elena. Die Szenen, die aus der Kinofassung herausgeschnitten wurden, sind im Director’s Cut in italienischer Sprache enthalten. Seit den 1990er Jahren spielt Fossey vor allem in französischen Fernsehfilmen.
Brigitte Fossey war von 1966 bis zu seinem Suizid 1980 mit dem Filmemacher Jean-François Adam verheiratet. Aus der Ehe ging eine Tochter, die Schauspielerin Marie Adam, hervor.
