Ha ricevuto dieci candidature al Golden Globe, vincendolo nel 1981 per la sua interpretazione nella miniserie TV La valle dell'Eden e nel 1996 con il ruolo della Dr. Michaela Quinn nella serie TV La signora del West, che la porta al successo. Ha inoltre ricevuto sei candidature al Premio Emmy, vincendolo una sola volta per la miniserie TV Onassis - L'uomo più ricco del mondo.
Ha avuto una lunga carriera sia nel cinema che in televisione, iniziando nel 1969 con un ruolo non accreditato nel film Oh, che bella guerra! di Richard Attenborough. Poco dopo sposò il figlio di Attenborough, Michael Attenborough. Il suo primo ruolo importante fu quello di Lillian Stein, una donna ebrea in cerca di un rifugio dai nazisti con una famiglia cristianadanese nel dramma di guerra Unica via: la fuga (1970).
Dal 1972 al 1973 interpretò il suo primo ruolo importante in TV come Emma Callon nella serie di successo Capitan Onedin. Durante questo periodo apparve come attrice protagonista nella miniserie Frankenstein - Una storia vera e come amante di Winston Churchill, Pamela Plowden, in un altro dei film prodotti dal suocero, Gli anni dell'avventura. Ebbe maggior attenzione internazionale interpretando la Bond girl Solitaire nel film Agente 007 - Vivi e lascia morire (1973).
Seymour divorziò da Michael Attenborough nel 1973. Ebbe ruoli minori in produzioni televisive fino a quando non le fu assegnata la parte della Principessa Farah in Sinbad e l'occhio della tigre, la terza parte della trilogia di Ray Harryhausen, Sinbad, nel 1975 (il film non fu reso noto fino al suo completamento nel 1977). Nel 1978 interpretò Serina nel film Battaglie nella galassia, e nei primi due episodi della serie che ne seguì fino a che il personaggio non fu ucciso. Nel 1981 le fu affidato il ruolo di Cathy Ames nella miniserie televisiva La valle dell'Eden. Interpretò anche il ruolo di una reporter sotto copertura nel film Quelle meravigliose ragazze di Dallas.
Vinse un Emmy Award come miglior attrice protagonista nella miniserie in 12 puntate Ricordi di guerra (1988), in cui interpretò il ruolo di Natalie Henry, un'ebrea americana intrappolata in Europa durante la seconda guerra mondiale. La serie è basata sull'affermato romanzo di Herman Wouk, ed è nota per l'accurata e vivida raffigurazione dell'Olocausto.
Nel 1989, in occasione del 200º anniversario della Rivoluzione francese, la Seymour apparve nella miniserie La rivoluzione francese (girato sia in francese che in inglese), in cui interpretò il ruolo di Maria Antonietta, la regina francese condannata al patibolo; i due figli dell'attrice, Katherine e Sean, interpretarono i figli della regina.
La Seymour continuò la sua carriera con numerosi ruoli sul piccolo schermo, il più noto dei quali è quello della dott.ssa Michaela 'Mike' Quinn nella serie La signora del West e i suoi seguenti film TV (1993-2001), sul set dei quali incontrò il suo quarto marito, l'attore-regista James Keach. Mentre girava la stagione 1996-1997, la Seymour permise al gruppo Rock Britannico dei Radiohead di registrare il loro album OK Computer nella sua villa.[senza fonte] Nel 2004 fece parecchie apparizioni nella serie della WB NetworkSmallville, interpretando Genevieve Teague, la ricca e intrigante madre di Jason Teague (Jensen Ackles). Fece inoltre un'apparizione nella serie Law & Order - Unità vittime speciali.
Jane Seymour ritornò sul grande schermo nel 2005 interpretando Kathleen Cleary, moglie dell'immaginario Ministro del tesoro William Cleary (Christopher Walken), nella commedia2 single a nozze - Wedding Crashers. Ritornò in televisione nella poco fortunata serie della Warner Bros.Modern Men, andata in onda nella primavera 2006.
Dal 2007 ha interpretato molti altri ruoli, tra cui quello di Prudence Macintyre in Dear Prudence - Vacanza con delitto e in Perfectly Prudence del 2011. Sempre nel 2011 è apparsa sul grande schermo nella commedia romantica Amore e matrimonio e in Questioni di famiglia.
Jane Seymour si è sposata quattro volte: dal 1971 al 1973 con il regista Michael Attenborough, poi nel 1977 con Victor Geoffrey Palmer, da cui ha divorziato l'anno seguente. Dal 1981 al 1992 è stata sposata con David Flynn, dal quale ha avuto due figli, Katherine (1982) e Sean (1985); nel 1993 ha sposato l'attore James Keach da cui nel 1995 ha avuto due gemelli, John Stacy e Kristopher Steven. La coppia si è separata nel 2013 e ha divorziato nel 2015.
Jane Seymour ha una particolarità: gli occhi di colore diverso, caratteristica chiamata eterocromia.
Nelle versioni in italiano delle opere in cui ha recitato, Jane Seymour è stata doppiata da:
Maria Pia Di Meo in L'isola dei cavalli selvaggi, 2 single a nozze - Wedding Crashers, Appuntamento al buio, La vera storia di Jack lo Squartatore, La signora del West, Il senso della verità, Senza passato, Dr. Quinn - Il film, Omicidio allo specchio, Una vita per la libertà, Blackout, La signora del West - Viaggio a Boston
Aurora Cancian in Alla ricerca di Jane, Il sole sorge ancora, Smallville, Le avventure di Hooten & the Lady
Rossella Izzo in Disegno d'amore, Il fantasma dell'opera, Heidi, Un Natale regale
Alessandra Korompay in Permettimi di amarti, La valle dell'Eden, Franklin & Bash, Jane the Virgin
Pinella Dragani in Lassiter lo scassinatore, La primula rossa, Onassis - L'uomo più ricco del mondo,
Roberta Greganti in New York Academy, New York Academy - Freedance, Un cuore nuovo
Micaela Esdra in Battaglie nella galassia, Ovunque nel tempo