Dcera francouzského divadelního a filmového herce Maurice Dorléaca se narodila v Paříži a její filmové začátky se datují rolí ve filmu Les Collegiennes (1956), když jí bylo právě 13 let. V devadesátých letech vytvořila řadu rolí zahrnující tu ve filmu Indochine (1992), za kterou získala cenu Francouzské akademie a oscarovou nominaci za nejlepší herečku.

Jedna z nejrespektovanějších hereček francouzského filmu, Catherine Deneuve vytvořila tento typ na základě hraní série rolí krásných a chladných dívek pro režiséry jako Roman Polanski.