Родилась в Китае, в семье врачей, её бабушка и дедушка получили образование в Оксфорде, а родители учились в Гарварде. Будущая актриса получила образование в Шанхайской киноакадемии, а также в престижном Шанхайском университете иностранных языков.
Первый фильм с участием Чэнь вышел в 1977 году, на тот момент ей было 16 лет. В 1980 году Чэнь сыграла в фильме «Цветочек» (режиссёр Чжан Чжэн), за что получила премию «Сто цветов». После выхода фильма китайская пресса окрестила её «Элизабет Тейлор из Китая». В 1981 году Чэнь уезжает на учёбу в США, где учится в колледже: сначала в Государственном Университете Нью-Йорка в Нью-Палтце, а затем в Калифорнийском университете в Нортридже.
В начале актёрской карьеры Чэнь в основном играла в боевиках (например, «Ночной охотник» (1986)), а также в эпических драмах: роль наложницы Мэй-Мэй в «Тай-Пэне» (1986) Дэрила Дьюка и императрицы Вань Жун в «Последнем императоре» (1987) Бернардо Бертолуччи.
В 1989 году Джоан Чэнь стала гражданкой Соединённых Штатов.
Судьбоносным для актрисы стал 1990 год. Роль в телесериале «Твин Пикс» прославила её на всю Америку. В культовой фантастической драме Дэвида Линча Чэнь исполнила роль Джози Пэккард, вдовы Эндрю Пэккарда, влюблённую в шерифа Трумэна. Однако голливудская практика типажирования азиатов привела к тому, что с тех пор у Чэнь было крайне мало главных ролей.
В 1990-х её можно было увидеть в следующих картинах: «Небо и Земля» Оливера Стоуна (1993), «Безумие» Д. Кэммела (1995). За роль в фильме С. Гуань Цзиньпэна «Красная роза, белая роза» Чэнь получила главную кинопремию Тайваня «Золотая лошадь» 1994. Также в 1995 году актриса сыграла в супергеройском боевике «Судья Дредд» в компании Сильвестра Сталлоне.
В 1999 году состоялся режиссёрский дебют Джоан. Фильм «Сосланная» с успехом прошёл по мировым фестивалям. За работу над картиной Чэнь была номинирована на «Золотой медведь» Берлинского кинофестиваля. В 2000 году Чэнь выступила режиссёром мелодрамы «Осень в Нью-Йорке» с Ричардом Гиром и Вайноной Райдер в главных ролях.
В период с 2004 по 2008 год актриса сыграла в фильмах: «Аватар», «Спасая лицо», «Жасминовые женщины», «Подсолнух», «Песни родного дома», «Вожделение», «Високосный год», «Сити 24» и «Все дети Бога могут танцевать». Роль в фэнтези «И солнце снова взойдёт» принесла Чэнь награду Азиатской киноакадемии в категории «Лучшая женская роль второго плана».
9 апреля 2008 года Чэнь написала статью в «Washington Post» о Летних Олимпийских Играх в Пекине.
Джоан Чэнь активно занимается благотворительностью.
В 2020 году вышел боевик «Агент Ева» при участии актрисы. Главную роль в фильме исполнила Джессика Честейн. Также в картине сыграли Колин Фаррелл и Джон Малкович.
