Die Tochter eines Monegassen und einer Italienerin arbeitete zunächst als Verkäuferin, dann als Mannequin in Paris. Dort wurde sie 1932 von dem österreichischen Regisseur G. W. Pabst für den Film entdeckt. Er gab ihr die Rolle der Dulcinea in seiner RomanadaptionDon Quichotte.
Balin entwickelte sich rasch zu einer renommierten Schauspielerin des französischen Films, vorwiegend als mondäne Femme fatale. In Pépé le Moko – Im Dunkel von Algier spielte sie die verführerische französische Geliebte des Hauptdarstellers Jean Gabin. In Nächte in Neapel trat sie zusammen mit ihrem damaligen Lebensgefährten Tino Rossi auf, in Der Herzensbrecher erneut mit Gabin.
1940 wirkte sie in der italienischen Produktion Alkazar mit, wo Regisseur Augusto Genina das spanische Franco-Regime heroisierte. Nach der Besetzung Frankreichs durch die deutsche Wehrmacht im Zweiten Weltkrieg lernte sie 1942 Birl Deissböck kennen, einen jungen Offizier an der deutschen Botschaft.
Nach der Befreiung durch die Alliierten im Sommer 1944 floh sie zusammen mit ihm aus Paris. Die beiden wurden am 28. September in Beausoleil bei Nizza durch die FFI gefangen genommen. Balin wurde nach Misshandlungen in Nizza und anschließend in Paris inhaftiert, schließlich am 3. Januar 1945 gegen eine Kaution entlassen. Danach konnte sie nur noch einen Film drehen und ihre Karriere nicht mehr fortsetzen. Sie zog sich, auch wegen ihres schlechten Gesundheitszustandes, in das Privatleben zurück. Ihre letzten Lebensjahre litt sie an Armut, Krankheiten und Alkoholproblemen.
Mireille Balin starb am Morgen des 9. November 1968 in einem Krankenhaus in Clichy bei Paris.[2] Ihre Grabstätte befindet sich auf dem Friedhof Saint-Ouen bei Paris.