Roger Vadim werd geboren als Roger Vladimir Plemiannikov in Parijs. Zijn vader Igor Plemiannikov was een tot Frans burger genaturaliseerde Wit-Rus en viceconsul voor Frankrijk in Egypte.
Roger begon vanaf 1944 met acteren (toneel) en werd in 1947 assistent van regisseur Marc Allégret. In 1956 maakte hij Et Dieu... créa la femme met zijn toenmalige vrouw Brigitte Bardot in de hoofdrol. Een jaar later scheidden ze, en het jaar daarop trouwde Vadim met Annette Stroyberg. Twee jaar later waren ze weer gescheiden, waarop Vadim een relatie begon met de toen 17-jarige Catherine Deneuve. In 1965 trouwde hij met de Amerikaanse Jane Fonda, waarmee hij de sciencefictionfilm Barbarella maakte. In 1973 scheidde het paar en twee jaar later trouwde Vadim met Catherine Schneider. Ook dit huwelijk duurde niet lang en in 1990 trouwde Vadim voor de vijfde en laatste keer, met de Franse actrice Marie-Christine Barrault. In 2000 stierf Roger Vadim in Saint Tropez aan kanker.