Di origini franco-canadesi da parte di padre e armeno-americane da parte di madre, ma nata a Sacramento, Adrienne Barbeau ha iniziato la carriera nel mondo dello spettacolo nella seconda metà degli anni Sessanta come ballerina nei locali di New York, prima di esordire a Broadway nel musical Il Violinista sul tetto. Sono seguite altre rappresentazioni (tra cui Stag Movie, in cui è apparsa nuda sul palcoscenico), The Best Little Whorehouse in Texas, Women Behind Bars e soprattutto il musical Grease, dove per il ruolo di Rizzo nel 1972 ha ottenuto una candidatura al Tony Award.
Durante gli anni Settanta ha accresciuto la sua popolarità grazie alla partecipazione alla serie tv Maude, dove impersona Carol, la figlia divorziata della protagonista, cui sono seguite apparizioni in svariati telefilm degli anni Settanta e Ottanta, tra cui Love Boat e Fantasilandia. Grazie anche al suo fisico sensuale, Adrienne è divenuta in breve tempo un'icona sexy di quegli anni, comparendo anche sulle copertine di numerose riviste patinate.
Dal 1979 al 1984 è stata sposata con John Carpenter, con cui ha lavorato in Fog, La Cosa e 1997: fuga da New York. Durante questo periodo è divenuta una presenza fissa del cinema horror americano, comparendo in titoli come Creepshow di George Romero, Il mostro della palude di Wes Craven, Donne cannibali, Due occhi diabolici, co-diretto da Romero e Dario Argento. Tuttavia Adrienne ha recitato anche in alcune produzioni dal grande successo commerciale come La corsa più pazza d'America, insieme a Burt Reynolds e Roger Moore, e la commedia Back to School.
Nel 1992 la Barbeau è convolata a nozze con l'attore Billy Van Zandt, con il quale ha messo al mondo due gemelli nel 1997. Negli ultimi anni l'attrice si è dedicata soprattutto al mondo del piccolo schermo, recitando in numerosi film tv e telefilm, tra cui i fantascientifici Star Trek: Deep Space Nine e Babylon 5. Ha inoltre prestato la voce al cartoon Totally Spies! e nella serie animata di Batman ha doppiato il personaggio di Catwoman.
Più di recente, si è prestata in un cameo nel remake di Rob Zombie Halloween, è stata guest-star in alcuni serial come Dexter e Grey's Anatomy, ed è tornata alla ribalta grazie ai ruoli nella serie di culto della HBO Carnivàle e nella soap General Hospital.
1977 Candidatura Miglior attrice non protagonista (tv) per Maude
1990 Recitazione
1981 Recitazione
1980 Recitazione
2016 Recitazione