Geboren wurde Monica Bleibtreu am 4. Mai 1944 in Wien. Als Tochter eines Theaterdirektors stand sie bereits von klein an auf der Bühne und sammelte Schauspielerfahrung. Nach der Schule nahm sie ein Studium am Max-Reinhardt-Seminar in Wien auf und erspielte sich nach dem Abschluss ihr Renommee als Theaterschauspielerin. Das Fernsehpublikum konnte Monica Bleibtreu zum ersten Mal im Jahr 1972 erleben, wobei sie eher selten vor Filmkameras arbeitete. In ihrer Karriere war sie unter anderem am Berliner Schillertheater, der Freien Volksbühne in Berlin, den Münchner Kammerspielen und dem Burgtheater in Wien tätig.
Von 1993 bis 1998 war Monica Bleibtreu in Hamburg Professorin für Schauspiel an der Hochschule für Musik und Theater. Zahlreiche Auszeichnungen hat sie zu Lebzeiten erhalten, wie etwa den Grimme-Preis oder 2005 den Deutschen Fernsehpreis in der Kategorie „Beste Schauspielerin Fernsehfilm“ für ihre Rolle in „Marias letzte Reise“. Im Mai 2007 erhielt sie in der Kategorie „Beste Schauspielerin“ für ihre Hauptrolle in „4 Minuten“ den Deutschen Filmpreis.
Monica Bleibtreu starb laut Angaben ihrer Agentur in der Nacht vom 13. auf den 14. Mai 2009 an den Folgen ihrer langjährigen Krebserkrankung. Sie hinterlässt ihren Sohn Moritz Bleibtreu, der ebenfalls Schauspieler ist.