Giovanna Mezzogiorno è una attrice italiana, figlia d'arte, nata da Vittorio Mezzogiorno e da Cecilia Sacchi.
Studia recitazione e lavora per due anni a Parigi, presso il laboratorio teatrale di Peter Brook. La sua carriera comincia nel 1995, quando debutta a teatro in Qui est là, un riadattamento dell'Amleto, ad opera di Peter Brook, nel ruolo di Ofelia.
Nel 1997 debutta al cinema con il film di Sergio Rubini Il viaggio della sposa, per il quale vince il Premio Flaiano, come migliore interprete femminile. L'anno successivo recita in due film: Del perduto amore, di e con Michele Placido e nel film tv Più leggero non basta, diretto da Elisabetta Lodoli; sul set conosce Stefano Accorsi, che diventa il suo compagno per un lungo periodo.
Tra il 2000 e il 2001 recita in alcune produzioni internazionali, a fianco di John Malkovich e Gerard Depardieu e ottiene la parte di Giulia nel film di Gabriele Muccino L'ultimo bacio, a fianco di Stefano Accorsi, di Stefania Sandrelli e di Sergio Castellitto. Per la sua interpretazione riceve per la seconda volta il Premio Flaiano, come migliore attrice.
Il 2002 la vede impegnata con un ruolo importante e difficile, quello di Ilaria Alpi, la giovane giornalista del Tg3, morta in circostanze ancora non chiarite durante la guerra in Somalia. Il film, dal titolo Ilaria Alpi - Il più crudele dei giorni, diretto da Ferdinando Vicentini Orgnani, le frutta il Nastro d'Argento, per la miglior interpretazione femminile.
Seguono Il segreto di Thomas e La finestra di fronte, di Ferzan Ozpetek, con Raul Bova e Massimo Girotti. In questo film recita la parte di Giovanna, una ragazza che, grazie al misterioso incontro con un anziano che non ha più ricordi, ritroverà la memoria dei propri sentimenti. Per La finestra di fronte Giovanna riceve numerossissimi premi: il Ciak d'oro, il David di Donatello, il Nastro d'Argento e, ancora una volta, il Premio Flaiano.
Nel 2003 è Lena nel film di Sergio Rubini L'amore ritorna, dove recita insieme allo stesso Sergio Rubini, a Michele Placido, a Mariangela Melato, a Fabrizio Bentivoglio e a Margherita Buy. Fra il 2003 e il 2004 la vediamo come protagonista nella commedia di produzione italo-francese Il club delle promesse. Riprende inoltre a recitare a teatro in 4.48 Psychosis, un pezzo di Sarah Kane, per la regia di Piero Maccarinelli.
Nel 2005 è Sabina in La bestia nel cuore di Cristina Comencini, in cui interpreta una giovane doppiatrice che attraversa il lato oscuro della sua vita, legato ad un episodio di abuso. Grazie a questa interpretazione vince la Coppa Volpi, per la miglior interpretazione femminile alla 62a Mostra internazionale d'arte cinematografica di Venezia. Il film viene candidato al Premio Oscar (2006), come miglior film straniero.
Nel 2006 recita nel film di Francesca Archibugi Lezioni di volo.