Catherine Fabienne 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 Később számtalan műfajban és karakterben kipróbálta magát, bizonyítva, hogy sokkal több egy csinos arcnál.
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, az Arany Oroszlán-díjat elnyert 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 (többek között a A szukát és a Ne nyúj a fehér nőhöz!-t), 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. Legnagyobb amerikai sikerét egy reklámfilmmel aratta, amely a Chanel cég kölnijét népszerűsítette. A francia közönség viszont továbbra is rajongott érte, 1980-ban Az utolsó metró című Truffaut-filmért kapta meg először a francia Oscarnak nevezett César-díjat. A színpadi szereplést soha nem vállaló Deneuve ebben egy 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.