A ajuns în lumea celei de-a şaptea arte aproape întâmplător. Născută în 22 octombrie 1943 într-o familie de actori, a fost mai întâi doar sora mai mică a actriţei Francoise Dorleac, dispărută tragic într-un accident de maşină. Adoptând numele de familie al mamei, Deneuve juca roluri mici în vacanţe şi şi-a vopsit părul blond.
A fost o perioadă când apărea des în revistele mondene: „logodnica numărul trei” a cineastului Roger Vadim – după Brigitte Bardot şi Annette Stroyberg -, a stat necăsătorită cu regizorul şi apoi l-a crescut singură pe fiul lor, Christian. În afară de căsnicia cu fotograful englez David Bailey (1965-1972), Deneuve nu s-a căsătorit cu niciunul din partenerii ei, cel mai celebru fiind Marcello Mastroianni, tatăl fiicei ei Chiara.
Întâlnirea cu regizorul Jacques Demy, care i-a oferit rolul din „Umbrelele din Cherbourg”, i-a schimbat viaţa şi a făcut-o vedetă la 20 de ani.
Catherine Deneuve, graţie frumuseţii sale calme şi reci, asemeni Gretei Garbo sau a eroinelor lui Hitchcock, a avut de atunci nenumărate roluri, jucând în circa 120 de filme. Refuzând categoric să joace teatru, ea a lucrat cu regizori celebri ca Truffaut, Bunuel, Polanski, dar şi cu tineri realizatori francezi – Arnaud Desplechin, Emmanuelle Bercot (în ‘Elle s’en va’). Printre cele mai cunoscute pelicule ce au beneficiat de prezenţa actriţei se numără ‘Repulsie’ de Polanski, ‘Frumoasa zilei’ şi ‘Tristana’ de Bunuel, ‘Ultimul metrou’ de Truffaut, ‘Anotimpul meu preferat’ de Andre Techine, ‘Dancer in the Dark’ de Lars von Trier sau ‘Opt femei’ de Francois Ozon.
„Ea s-a impus ca figură emblematică a identităţii socio-culturale franceze”, arată Gwenaelle Le Gras în „Mitul Deneuve”.
Considerată cea mai frumoasă femeie din lume de revista americană Look, imagine a Yves Saint-Laurent, simbolizând în străinătate eleganţa franceză, Catherine Deneuve este una din puţinele actriţe din Hexagon care figurează în Hall of Fame de la Hollywood.