Urodziła się w 1943 roku w Paryżu jako córką weterana sceny i ekranu Maurice'a Dorleaca i aktorki Renee Deneuve. Jest także młodszą siostrą aktorki Francoise Dorleac. W swojej karierze przyjęła nazwisko panieńskie matki. Jako 13-latka zadebiutowała w filmie "Les Collegiennes" Andre Hunebelle'a.
Po raz pierwszy w głównej roli wystąpiła u Rogera Vadima, w jego filmie "Występek i cnota" (1962). Sławę przyniosła jej jednak dopiero rola w "Parasolkach z Cherbourga" (1964) Jacquesa Demy. Największe role zagrała m.in. we "Wstręcie" Romana Polańskiego (1965), "Piękności dnia" (1967) Luisa Bunuela - nominacja do nagrody Bafta - i "Tristanie" (1970) tego samego reżysera.
Rola w "Ostatnim metrze" Francoisa Truffauta (1980) przyniosła Deneuve Cezara dla najlepszej aktorki oraz nagrodę włoskiego przemysłu filmowego - Premi David di Donatello; kreacja w "Indochinach" Regisa Wargniera (1992) - nominację do Oscara oraz drugiego w karierze Cezara. Wysoko oceniona została także jej rola w "Placu Vendome" Nicole Garcii (1998) - otrzymała za nią nagrodę na festiwalu w Wenecji oraz nominację do Cezara.
Za całokształt twórczości była nagradzana na festiwalach w San Sebastian (Złota Muszla, 1995), Moskwie (Srebrny Święty Jerzy, 1997) i Berlinie (Honorowy Złoty Niedźwiedź, 1998).
Jej fascynacja twórczością Larsa von Triera, a zwłaszcza obrazem "Przełamując fale", skłoniła ją do napisania listu do reżysera z prośbą o angaż w jego filmie. Zaowocowało to rolą w "Tańcząc w ciemnościach" (2000).
W ubiegłym roku aktorka wystąpiła w filmie "8 kobiet" Francoisa Ozona - wraz z m.in. Isabelle Huppert, Emmanuelle Beart, Fanny Ardant i Danielle Darrieux. Wraz z zespołem siedmiu aktorek grających wraz z nią w tym filmie zdobyła Srebrnego Niedźwiedzia na Berlinale oraz Europejską Nagrodę Filmową 2002.
W latach 80. aktorka reklamowała perfumy Channel. W 1986 roku wylansowała własne perfumy - "Catherine Deneuve". Zastąpiła Brigitte Bardot w roli modelki do symbolu Republiki Francuskiej "Marianne".
em, pap