酒場でグリモー教授と友人たちが吸血鬼について語り合っていると、一人の男が割り込んできた。男は「棺の中から抜け出すことのできる人間もいる。自分もその一人である。弟はそれ以上のことができ、教授にとって危険な存在である。近々自分か弟かどちらかが教授を訪問する。」と告げ、カリオストロ街に住む奇術師のピエール・フレイという名刺を渡して去る。2月6日のことだった。その後教授は新聞記者マンガンに、2月9日に訪ねてくると脅かす者がいると語り、用心のために大きな画を買ったと意味不明の言葉をもらす。マンガンの友人ランポールから話を聞いたフェル博士は、ただならぬ事態を予感し、ハドレイ警視を加えて、9日の夜ラッセル・スクエアの西にあるグリモー邸を訪問する。時すでに遅く凶事発生の直後だった。9時45分グリモー邸にコートに帽子、顔に仮面をつけた男がやって来た。玄関で応対したグリモー家の家政婦デュモンが、男を一旦待たせて3階に上がると、鍵をかけたはずなのに男はついてきたという。書斎の戸口で教授と押し問答していたが、結局デュモンを残して男は入っていった。教授の秘書ミルズが、ホールを隔てて書斎の反対側にある仕事部屋におり、一切を目撃していた。10時10分銃声が聞こえ、マンガンが鍵のかかった扉を破ろうとしていたところにフェル博士一行が訪れた。中では教授が胸を撃たれて倒れていた。仮面の男の姿はなく、窓の外は9時30分頃止んだ雪が積もっているものの、足跡はなかった。グリモー家の居候ドレイマンによると、グリモーの本名はホーバートで、フランス人ではなくマジャール人であり、三人兄弟の長兄だった。ドレイマンはかつてハンガリーの山中で、三つ並んだ墓の一つから這い出ようとしていたグリモーを助けた。グリモーは、兄弟三人は投獄されていたが、弟二人が伝染病で死んだのに乗じ、自分も死んだふりをして一か八かの脱獄を試みたと語った。この証言を得て、実は三人全員が死んだふりをして脱獄したのではないかという疑惑が湧き上がった。グリモーは弟たちを見捨てたが、二人は脱獄に気付いた当局に救い出され、出所後兄に復讐したのではないか。フレイは次兄ではないか。ところがフレイも同じ夜に射殺されていた。場所はグリモー邸から歩いて3分ばかり、ラッセル・スクエアの反対側にあるカリオストロ街の真中だった。目撃者たちによると10時25分のことだった。「二発目はおまえにだ」という声と共に銃声が鳴り響き、見るとフレイが倒れようとしていた。フレイは背中を至近距離から射たれて死んでいた。現場は街燈に照らされており、身を隠せる建物からは数メートル離れているのに、加害者を誰も見ておらず、雪の上には被害者以外の足跡はない。傍らに落ちていた拳銃は両方の事件の凶器と鑑定された。
実父は喜劇俳優で松竹新喜劇で活躍した藤山寛美。5人姉妹で唯一父と同じ道を歩み、以後舞台を中心に活躍する。1964年1月、父が主役を務めた、NHKのテレビ番組『お好み新喜劇・初代桂春団治』でデビュー。小学校に入学する前には子役として吉本新喜劇の舞台に立つこともあったという。90年代からはドラマでは岸部一徳と共演することが多く、特に恋仲の役になる事が多い。他にも中村勘三郎、波乃久里子、柄本明らと共演することが多い。1992年、『おんなは度胸』での名脇役ぶりで全国区になった。またドラマ新銀河で放送された『この指止まれ!!』シリーズでも主演。また、2000年公開の映画『顔』では主人公を演じ、その演技が評価され毎日映画コンクールをはじめとする映画賞を数多く受賞した。『志村けんのバカ殿様』にバカ殿の妹として出演したことがある（志村けんが直美の特番にゲスト出演した際に「バカ殿の妹役で出して」と懇願したことから実現した）。2006年下半期放送のNHK朝の連続テレビ小説『芋たこなんきん』で、主役の花岡町子を演じた。『おしん』でヒロインの老後を演じた乙羽信子のようなケースを除くと、史上最年長の朝ドラヒロイン（放送開始当時47歳。それまでの最年長は1989年上半期・青春家族に主演したいしだあゆみ＝当時41歳）である。このドラマ出演を機に、『第57回NHK紅白歌合戦』の審査員を務める。2007年には吉本新喜劇『コヤブ新喜劇 〜座長になって1年たちましたスペシャル〜』にシークレットゲストとして出演。旧来より松竹新喜劇とライバル関係にあった吉本の舞台に異例の出演を果たした。その後2014年には松竹製作の舞台『笑う門には福来たる ～女興行師 吉本せい～』で、吉本興業の創始者である吉本せい役を演じている。2012年初演の『ええから加減』で大阪の女漫才師役を好演し、共演の高畑淳子とともに第38回菊田一夫演劇賞演劇大賞を受賞。同作での演技が目に留まり、2014年5月9日、11月に森光子の三回忌が明けることを受け、2015年6月にシアタークリエで『放浪記』に次ぐ森の代表作でミスワカナの生涯を描いた『おもろい女』が9年ぶりに直美の主演で復活、1か月間上演された。森は生前に「肉体的にもっともきつい作品」と話し、2006年の公演が最後となったが、一方で「いい脚本だから、残してほしい」とかねてから希望していた事もあり、東宝が再演を決めたものである。『おもろい女』は元々NHKで1965年9月18日に単発ドラマとして放送されたテレビ版がオリジナルで、この時の森の相手役（玉松一郎役）こそ直美の父・寛美であり、直美もこの時、中国人孤児役で出演していたなど、浅からぬ因縁がある。3年ぶりとなる2018年10月から12月にかけての再演では平成30年度（第73回）文化庁芸術祭の演劇部門にて大賞を、また第69回芸術選奨文部科学大臣賞を演劇部門にて受賞した。2017年2月17日癌で2017年3月18日～26日の中日劇場「おもろい女」の公演中止発表。