Petite-fille du violoniste Joseph Joachim, elle connaît son heure de gloire dès 1940 en interprétant le rôle de Mélisande dans l'opéra de Debussy, Pelléas et Mélisande. Elle l'enregistre en 1943 sous la direction de Roger Désormière. Que ce soit à l'Opéra-Comique (salle Favart) de Paris ou au concert, elle défend la musique française de son temps, participant à la création du Rossignol de Saint-Malo (Le Flem), Le soleil des eaux de Boulez ainsi que des oeuvres de Dutilleux, Wiener et Nigg.

Irène Joachim fut aussi une interprète raffinée du Lied allemand (Schubert, Schumann, Berg,...): elle reçoit notamment le Grand Prix du disque en 1959 pour son enregistrement des lieder de Carl Maria von Weber (avec Hélène Boschi au piano).

Réputée pour sa diction impeccable, elle a longtemps été professeur de chant au Conservatoire national supérieur de musique de Paris.