Catherine Dorléac néven született Párizsban, anyja vezetéknevét azért vette fel, hogy ne keverjék össze akkor még híresebb Francoise nővérével. A tizenhárom évesen már filmszerepet alakító lány szépségére a Brigitte Bardot és Jane Fonda férjeként elhíresült playboy-rendező, Roger Vadim figyelt fel, aki néhány kis szerepet osztott rá, a rendezőtől húszévesen fia is született. Az áttörést az 1964-es Cherbourgi esernyők hozta meg számára, amelyben a szereplők csak énekelnek; igaz, be is skatulyázták hűvös, szőke szépségnek.
Egy évvel később kapta meg a főszerepet Roman Polanski első angol nyelvű filmjében, az Iszonyatban, és ugyancsak 1965-ben - 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. Öt filmet forgatott Marcello Mastroiannival, akivel viharos szerelmi kapcsolatba bonyolódott, lányuk, Chiara 1972-ben született. Bár Deneuve pályája felfelé ívelt, magánéletében drámák sorozata követte egymást: nővére autóbaleset áldozata lett, őt egy tetőről lezúduló jégdarab sebezte meg súlyosan.
Hollywoodban is szerencsét próbált, de a tengerentúli közönség csak a Tony Scott rendezte Az éhség című vámpírfilmjét méltányolta, azt is leginkább egy leszbikus szexjelenet miatt. Legnagyobb amerikai sikerét egy reklámfilmmel aratta, amely a Chanel cég kölnijét népszerűsítette. A hazai közönség továbbra is rajongott érte, 1980-ban Az utolsó metró című Truffaut-filmért kapta meg először a francia Oscarnak nevezett César-díjat. Alakítása azzal is felkeltette a figyelmet, hogy a színpadi szereplést soha nem vállaló Deneuve színésznőt játszott, aki a németek 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.
Munkakedve és munkabírása nyugdíjas korba érve sem csökkent, az utóbbi évtizedben volt, hogy három filmet is forgatott egy év alatt, s egyre színesebb karaktereket formál meg. Játszott a többi közt a 3 szív című drámában és a Szerelem nélkül soha című romantikus alkotásban Chiara lányával, az Isten óvja Britanniát! című Asterix-filmben. Tavaly három filmjét is bemutatták a mozik: az Én és a mostohám című drámát, a Külön világ című thrillert és a Senki sem tökéletes című vígjátékot, amelyben tizedszer volt partnere Gérard Depardieu. Jelenleg is több filmet forgat, ezek között van a cannes-i fődíjas japán rendező, Koreeda Hirokazu Az igazság című drámájának egyik főszerepe.
Az egyik legnagyobb francia filmcsillag énekel is, adott elő duettet Depardieu-vel és Joe Cockerrel, 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, öt éve pedig a The Guardian című brit lap legjobban öltözött ötven év felettieket összegző listájára került fel.
Sokáig ő volt Yves Saint Laurent francia divattervező múzsája, aki több filmjében öltöztette. A Chanel mellett a L'Oréal kozmetikai cég is arcának választotta, részt vett a Louis Vuitton reklámkampányában, nevével parfümöt és szemüvegkeret árulnak.
Magánéletét minden eszközzel védi, több tucatnyi pert nyert meg lesifotósok és pletykalapok ellen, engedélye nélkül még fényképe sem jelenhet meg. Kedvenc színésznője Marilyn Monroe, kedvenc filmje a Kallódó emberek, amelyben Monroe utoljára állt kamera elé. Szereti a kertészkedést, a fotózást és a zenét.
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. Az év elején ő is aláírta azt a nagy vihart kavart nyílt levelet, amelyben mintegy száz nő bírálta a szerintük túlzásba vitt Me too mozgalmat, amely így az erkölcscsőszök és a vallási szélsőségesek kezére játszik. A színésznő a kritikák hatására később bocsánatot kért a szexuális zaklatások áldozataitól.
Catherine Deneuve művészi pályáját számtalan díjjal ismerték el. Többszörös César-díjas, életművéért 1998-ban megkapta a Berlini Filmfesztivál Arany Medve-díját, 2012-ben az amerikai Lincoln Center Charlie Chaplinről elnevezett életműdíját, a Moszkvai Nemzetközi Filmfesztivál Sztanyiszlavszkij-életműdíját, az Európai Filmakadémia életműdíját. 2016-ban személyében az első nőt tüntették ki a Lumiere-díjjal a lyoni filmfesztiválon, idén tavasszal a prágai Febiofest díszvendégeként a Kristián-díjat vehette át rendkívüli filmművészeti pályafutásának elismeréseképpen.
