Sie starb im Alter von 76 Jahren in ihrer Wohnung in Paris. Birkin war schon länger schwer krank. Sie wurde vor allem durch das im Jahr 1969 veröffentlichte Lied "Je t’aime … moi non plus" bekannt, das sie mit ihrem damaligen Parter aufgenommen hatte, dem Musiker und Komponisten Serge Gainsbourg. Der Song wurde wegen des lustvollen Stöhnens der beiden von vielen Radiostationen boykottiert.

Der französische Präsident Macron würdigte Birkin als eine "französische Ikone". Sie hinterlasse unvergessliche Melodien und Bilder, schrieb er per Twitter.