Córka weterana sceny i ekranu, aktora Maurice'a Dorleac i aktorki Renee Deneuve, młodsza siostra Francoise Dorleac, debiutowała jako aktorka w wieku trzynastu lat w "
Les Collegiennes". W tym czasie przyjęła nazwisko panieńskie matki. Mimo patronatu, jakim objął ją Roger Vadim (wystąpiła w pierwszoplanowej roli w jego filmie "
Występek i cnota", przez kilka pierwszych lat po debiucie aktorka nie miała większych osiągnięć. Dopiero rola w "
Parasolkach z Cherbourga"
Jacquesa Demy, gdzie stworzyła typ melancholijnej blondynki, przyniosła jej sławę. Piękna i utalentowana, wkrótce stała się czołową aktorką francuską i jedną z gwiazd międzynarodowego formatu.
W jej dorobku można znaleźć rozmaite role. Są wśród nich takie postaci jak popadająca w obłęd młoda dziewczyna we "
Wstręcie"
Romana Polańskiego, osiemnastowieczna, niewinna piękność w "
Benjaminie" (1968) Deville'a czy seksowne i enigmatyczne kobiety z filmów Bunuela "
Piękność dnia" i "
Tristana". W 1968 roku zagrała u boku siostry Francoise Dorleac w "
Maayerlingu". W 1971 roku aktorka założyła własną firmę Les Films de la Citrouille. W latach 80. reklamowała perfumy Channel. W 1986 roku wylansowała własne perfumy "Catherine Deneuve". Zastąpiła
Brigitte Bardot w roli modelki do symbolu Republiki Francuskiej "Marianne". W 1980 roku została ogłoszona najlepszą aktorką otrzymując nagrodę Cezara za występ w "
Ostatnim metrze". Rok 1993 przyniósł nagrodę Francuskiej Akademii Filmowej za "
Indochiny" Regisa Wargniera. Również amerykańska Akademia Filmowa doceniła Deneuve występującą w roli Francuzki mieszkającej w odzyskujących niepodległość Indochinach. Aktorka otrzymała nominację do Oscara w kategorii "najlepsza aktorka".
W 1995 roku na Międzynarodowym Festiwalu Filmowym w San Sebastian została uhonorowana Złotą Muszlą za całokształt twórczości. Rola w "
Placu Vendome" przyniosła jej nagrodę na Festiwalu w Wenecji i nominację do Cezara. W 1999 roku wystąpiła w adaptacji powieści
Marcela Prousta "
Czas utracony". Prywatnie liberalna i niezależna, ma syna Christiana z Rogerem Vadimem i córkę Chiarę z
Marcello Mastroiannim. Jej małżeństwo z fotografem Davidem Baileyem zakończyło się rozwodem. W 1993 roku wystąpiła razem z córką w filmie "
Moja ulubiona pora roku". Deneuve jest wielbicielką twórczości
Larsa von Triera. "
Przełamując fale" to jej ulubiony film. Bardzo zabiegała o rolę w jego filmie "
Tańcząc w ciemnościach", który zdobył Złotą Palmę na festiwalu w Cannes w roku 2000.