Catherine Dorléac néven született, anyja vezetéknevét azért vette fel, hogy ne keverjék össze akkor még híresebb Francoise nővérével. A tizenhárom évesen már filmszerepet kapó lány szépségére a Brigitte Bardot és Jane Fonda férjeként elhíresült playboy-rendező, Roger Vadim figyelt fel, a figyelem eredménye néhány kis szerep és egy fiúgyermek lett. Az áttörést az 1964-es zenés Cherbourgi esernyők hozta meg számára, bár rögtön be is skatulyázták hűvös, szőke szépségnek.
1965-ben ő játszotta a főszerepet Roman Polanski első angol nyelvű filmjében, az Iszonyatban, és ugyanebben az évben először és eddig utoljára férjhez ment egy brit divatfotóshoz, a házasság hat évig tartott. 1967-ben Luis Bunuel vele játszatta el A nap szépe című filmjében a tökéletes úriasszonyt, aki titokban egy bordélyban éli ki sötét vágyait, a spanyol rendezővel 1970-ben a Tristanában is együtt dolgozott. Viharos szerelmi kapcsolatba bonyolódott Marcello Mastroiannival, tőle született Chiara lánya 1972-ben.
Karrierje szépen ívelt felfelé, de magánéletében drámák sorozata követte egymást, nővére autóbaleset áldozata lett, őt magát egy tetőről lezúduló jégdarab sebezte meg súlyosan. Deneuve tett egy hollywoodi kitérőt, de a tengerentúli közönség csak Az éhség című vámpírfilmjét méltányolta, azt is egy leszbikus szexjelenet miatt. Igazán sikert Amerikában az a reklám aratott, amely a Chanel cég kölnijét népszerűsítette.
1980-ban Az utolsó metró című Truffaut-filmért kapta meg először a francia Oscarnak nevezett César-díjat. Alakítása azért is volt figyelemre méltó, mert a színpadi szereplést soha nem vállaló Deneuve színésznőt játszott, aki a nácik által megszállt Párizsban zsidó férjétől veszi át a színház igazgatását. 1992-ben az Indokína című filmért Oscar-díjra jelölték, de a kitüntetést csak a film kapta meg.
A kilencvenes években játszott vérfertőző anyát, depressziós alkoholistát, feltűnt Lars von Trier Táncos a sötétben című zenés drámájában (partnere az excentrikus izlandi énekesnő, Björk volt). A parádés szereposztású, Francois Ozon által rendezett 8 nőben a nyolc potenciális gyilkos egyike volt, játékáért mind a nyolc női főszereplő Európai Filmdíjat kapott. Deneuve játszott a Született feleség, valamint a Szerelem nélkül soha című vígjátékban, eddigi utolsó alakítását az Isten óvja Britanniát című Asterix-filmben tavaly nyújtotta.
A sokoldalú színésznő énekel is, adott elő duettet Gérard Depardieu-vel és Joe Cocker amerikai énekessel, 1981-ben önálló lemezt készített Serge Gainsbourg dalaiból. Egyedülálló módon az Empire magazin ötvenkét évesen, immár nagymamaként választotta be 1995-ben a száz legszexisebb színésznő közé, ugyanez az újság két évvel később minden idők legjobb színészeinek százas listáján is szerepeltette, idén márciusban felkerült a The Guardian című brit lap legjobban öltözött ötven év felettieket összegző listájára. Sokáig ő volt Yves Saint Laurent francia divattervező múzsája, aki több filmjében öltöztette, a Chanel mellett a L'Oréal kozmetikai cég is arcának választotta, néhány éve a Luis Vuitton reklámkampányában vett részt.
Az örök fiatalság, az elegancia és az emberi tartás megtestesítőjének tartott Deneuve több jótékonysági akcióhoz adta nevét, felemelte szavát a halálbüntetés ellen és az abortusz engedélyezése mellett. Magánéletét minden eszközzel védi, több tucatnyi pert nyert meg lesifotósok és pletykalapok ellen, engedélye nélkül még fényképe sem jelenhet meg. Szereti a kertészkedést, a fotózást és a zenét, saját bevallása szerint tart az öregedéstől.
A még mindig gyönyörű Catherine Deneuve művészi pályáját számtalan díjjal ismerték el. Hazájában többszörös César-díjas, életművéért 1998-ban megkapta a Berlini Filmfesztivál Arany Medve-díját, tavaly az amerikai Lincoln Center Charlie Chaplinről elnevezett életműdíját (jóllehet több mint száz filmjéből alig néhányat forgatott angol nyelven), a Moszkvai Nemzetközi Filmfesztivál Sztanyiszlavszkij életműdíját, idén decemberben az Európai Filmakadémia (EFA) életműdíját veheti át Berlinben.