Catherine Fabienne Dorleac 1943. október 22-én született Párizsban, Franciaországban. Színész családból származik. Apja, Maurice Teynac színházi és filmes színész, később a Paramount Pictures filmstúdió szinkronrendezője volt. Anyja, Renée Deneuve ugyancsak színész volt, nagyanyja pedig színházi súgó. Első komolyabb szerepét a Cherbourg-i esernyők (1964) című filmmusicalben kapta, egy évre rá pedig már Roman Polanski kultikus filmjében, az %%ban (1965) tűnt fel. Szintén óriási sikert aratott Luis Bunuel szürrealista mesterművében, A nap szépe (1967) című filmben nyújtott alakításával, melyben Severine Serizy szerepében láthattuk. Nemzetközi hírű színésznő lett, Hollywood is felfigyelt rá, de forgatott Olaszországban és Franciaországban is.

1980-ban megkapta pályafutása legjelentősebb szerepét Fracois Truffaut rendező Az utolsó metró (1980) című filmjében. Alakítását a szakma 1981-ben César-díjjal jutalmazta. A nyolcvanas évektől közel ötven filmben szerepelt, melyek közül a legjelentősebbek az Indokína (1992), a Pola X (1999), a Táncos a sötétben (2000), a 8 nő (2002), a Veszedelmes viszonyok (2003), az Karácsonyi történet (2008) és a L'homme qu'on aimait trop (2014). A hatvanas évek elején Deneuve együtt élt Roger Vadim filmrendezővel, akitől 1963. június 18-án fia született, Christian Vadim. 1965. augusztus 19-én feleségül ment David Bailey brit fényképészhez, azonban házasságuk 1972-ben válással végződött. Ezt követően François Truffaut filmrendezővel folytatott viszonyt, majd Marcello Mastroianni színésszel alkotott egy pár. Tőle született lánya, Chiara Mastroianni. A kapcsolatuk nem tartott sokáig, a nyolcvanas években már Pierre Lescure médiaszakemberrel élt együtt.