Родилась 11 мая 1940 г. в Полтаве (Украинская ССР, ныне Украина) в семье Трофима Исааковича и Элеоноры Ильиничны Прохоренко. Ее отец, военный летчик, погиб в начале Великой Отечественной войны. Мать работала переплетчицей. Детство Жанна Прохоренко провела вместе с матерью в Ленинграде (ныне Санкт-Петербург). Посещала занятия в актерском кружке при Городском дворце пионеров им. А. А. Жданова (ныне Санкт-Петербургский городской дворец творчества юных).
В 1957-1958 гг. Жанна Прохоренко была студенткой Школы-студии им. Вл. И. Немировича-Данченко при Московском художественном академическом театре СССР им. М. Горького (ныне - Школа-студия, институт, им. Вл. И. Немировича-Данченко при Московском художественном театре им. А. П. Чехова). В 1958 г. получила от режиссера Григория Чухрая предложение о съемках в военной мелодраме"Баллада о солдате". Руководство Школы-студии МХАТ запрещало первокурсникам участвовать в киносъемках, Жанна Прохоренко покинула вуз. Выдержав открытый экзамен, она была принята во Всесоюзный государственный институт кинематографии (ныне Всероссийский государственный институт кинематографии им. С. А. Герасимова). Окончила его в 1964 г. Выпускница мастерской народных артистов СССР Сергея Герасимова и Тамары Макаровой.
Получив профессиональное образование, служила в Театре-студии киноактера (ныне Центр театра и кино на Поварской).
Дебютная киноработа Жанны Прохоренко - Шура в фильме "Баллада о солдате" (вышел в 1959 г.) - принесла ей зрительское признание. Среди других ролей: старшеклассница Ксеня Завьялова в драме "А если это любовь?" (1961, режиссер Юлий Райзман), Капочка Неуеденова в комедии "Женитьба Бальзаминова" по мотивам пьес Александра Островского (1964, Константин Воинов), учительница Мария Нестерова в мелодраме "Приезжая" (1977, Валерий Лонской), директор совхоза Анна Тальникова в фильме "Близкая даль" (1978, Виталий Кольцов), Клавдия Парамонова в многосерийном детективе "ТАСС уполномочен заявить…" по мотивам произведения Юлиана Семенова (1984, Владимир Фокин). В последний раз появилась на экране, исполнив эпизодическую роль пожилой женщины в криминальном фильме "Рысь" (2010, Алексей Феоктистов). В общей сложности Жанна Прохоренко снялась в 50 фильмах и сериалах.
Жанна Прохоренко скончалась 1 августа 2011 г. в Москве на 72-м году жизни от онкологического заболевания. Похоронена на столичном Хованском кладбище.
Народная артистка РСФСР (1988).
Лауреат Всесоюзного кинофестиваля 1979 г. в Ашхабаде (Туркменская ССР, ныне Туркменистан) за роль в фильме "Близкая даль", обладательница специального приза Всероссийского кинофестиваля "Литература и кино" 2005 г. в Гатчине (Ленинградская область).
Была замужем за кинорежиссером Евгением Васильевым. Дочь - актриса Екатерина Васильева (род. 1961), внучка - актриса Марьяна Спивак (род. 1985).