Eredeti neve Catherine Dorléac volt, anyja vezetéknevét még fiatalon vette fel, hogy ne keverjék össze (akkor még) híresebb Francois nővérével. A Brigitte Bardot és Jane Fonda férjeként elhíresült playboy-rendező, Roger Vadim figyelt fel szépségére, a figyelem eredménye néhány kis szerep és egy fiúgyermek lett. A kiugrást az 1964-ben készült Cherbourg-i esernyők hozta meg, amelyben a szereplők nem beszélnek, csak énekelnek, igaz rögvest 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. Hét évvel később vált el hivatalosan, a rossz nyelvek szerint azért, mert fárasztónak találta, hogy brit divatfotós férjével angolul beszéljen. 1967-ben Luis Bunuel vele játszatta el A nap szépe című filmjében a tökéletes úriasszonyt, aki titokban egy bordélyban éli ki sötét vágyait, majd három évvel később a Tristanában újra együtt dolgozott a spanyol rendezővel.

Karrierje szépen ívelt felfelé, de magánéletében drámák sorozata követte egymást. Francoise testvére autóbaleset áldozata lett, őt magát egy tetőről lezúduló jégdarab sebezte meg súlyosan. Hollywoodi kitérője félsikernek bizonyult, az ottani közönség csak Az éhség című vámpírfilmjét méltányolta - egy leszbikus szexjelenet miatt. Arcát mégis megjegyezték, mert a Chanel cég vele reklámozta új parfümjét. Viharos szerelmi kapcsolatba bonyolódott Marcello Mastroiannival, tőle született - ismét házasságon kívül - Chiara lánya 1972-ben.

1980-ban Az utolsó metró című Truffaut-filmért kapta meg először a francia Oscarnak is becézett César-díjat. Alakítása azért is volt figyelemre méltó, mert a színpadi szereplést soha nem vállaló Deneuve egy színésznőt játszott, aki a nácik által megszállt Párizsban zsidó férjétől veszi át a színház igazgatását. 1992-ben az Indokína című filmért jelölték Oscar-díjra, de csak a film nyert. A kilencvenes években játszott vérfertőző anyát, depressziós alkoholistát, feltűnt Lars Trier Táncos a sötétben című filmjében (itt partnere az excentrikus izlandi énekesnő, Björk volt), a parádés szereposztású 8 nőben a nyolc potenciális gyilkos egyikeként tűnt fel. Hatvanötödik születésnapjára nem túl gáláns ajándékként honfitársai neki ítélték a francia "citromdíjat".

Az örök fiatalság, az elegancia és az emberi tartás megtestesítőjének tartott Deneuve nem rejtőzködik, de minden eszközzel védi magánéletét. Eddig 60 pert nyert meg a paparazzik és a pletykalapok ellen és még fotót sem lehet közölni róla engedélye nélkül. Azt ő árulta el magáról, hogy szereti a kertészkedést, tart az öregedéstől, nem beszél viszont arról, kivel osztja meg életét. Bár nevével parfümöket, ékszereket hirdetnek, rossz üzletasszony, vagyona mindössze egy normandiai birtok.