La giovane e ambiziosa Catherine ha sin da subito alcuni contrasti con le sorelle, soprattutto con la primogenita, François, la quale morirà prematuramente all'età di 24 anni in un incidente stradale, esattamente nel 1967. Per distinguersi dalle altre tre però prende quasi da subito il cognome della madre, Deneuve.Il debutto arriva prestissimo. Quando è appena adolescente, all'età di tredici anni, la piccola e brava Catherine Deneuve esordisce nel film "Le collegiali", di André Hunebelle, datato 1956.È l'inizio di una brillante carriera, la quale però decolla solo nel decennio successivo. Al film del '56, infatti, seguono piccole parti in film mediocri.
A cambiare la vita personale e artistica della giovane Catherine, è il regista Roger Vadim, il quale non appena fa la sua conoscenza si innamora perdutamente di lei. È lui ad imporla come nuova icona femminile del cinema francese degli anni '60. Dopo averla ammirata in "Les Parisiennes", per la regia di Marc Allégret, nel 1961, e nei "Caldi amori" di Grisha M. Dabat, l'anno dopo, Vadim la vuole nel sensuale film "Il vizio e la virtù". L'anno seguente poi, esattamente il 18 giugno del 1963, a conferma della loro passione sbocciata, i due hanno anche un figlio, l'attore Christian Vadim.
Intanto la Deneuve continua ad interpretare il ruolo di femme fatale, come nella pellicola del 1963, "Antologia sessuale", di Pierre Kast. L'anno è importante anche per la parte ricoperta nel film a episodi dal titolo "Le più belle truffe del mondo". L'anno dopo invece, affianca Jean-Paul Belmondo nella commedia "Caccia al maschio", mentre nel 1965 arriva l'incontro con il regista americano Roman Polanski, firmando il forte e all'epoca scandaloso film dal titolo "Repulsion".Catherine Deneuve lascia Vadim e sposa la sua nuova fiamma, il fotografo e regista David Bailey. I due convolano a nozze il 19 agosto 1965. Purtroppo però i due non riescono ad essere felici e dopo alcuni anni, già nel 1972, divorziano.L'attrice recita e si lega in una forte amicizia con il grande attore Philippe Noiret, con cui lavora nel film "L'armata sul sofà", datato 1965. L'anno dopo conosce Michel Piccoli, in "Les creatures", che ritrova nel musical "Josephine", del 1966, con l'attore Gene Kelly.Sono questi gli anni di maggior successo per la Deneuve che raggiunge il picco della sua arte e popolarità quando il regista Luis Bunuel le ritaglia addosso lo scandaloso "Bella di giorno", nel 1967, il quale diventa subito un film cult del genere e la vede interpretare il ruolo di una borghese annoiata che, per tre ore, trasforma la sua abitazione in una casa di appuntamenti.
Anche oltralpe ci si accorge del suo talento. E la bella Catherine va ad affiancare Ava Gardner e l'attore James Mason, nel film inglese "Mayerling", datato 1968. L'anno dopo comincia una nuova relazione infuocata, tanto amorosa che professionale, quella con il padre della nouvelle vague, il regista François Truffaut. Questi la vuole con Jean-Paul Belmondo nel film "La mia droga si chiama Julie", nel 1969.
Arriva finalmente anche la chiamata da Hollywood. Il film che porta Catherine nelle sale americane è "Sento che mi sta succedendo qualcosa", datato 1969, in cui recita al fianco di Jack Lemmon. Qualche anno dopo, nel 1975, recita con due grandi attori del cinema a stelle e strisce, Ernest Borgnine e Burt Reynolds, nel film "Un gioco estremamente pericoloso". Tuttavia l'attrice, poco entusiasta dei ruoli che le produzioni statunitensi le riserbano, decide di fare ritorno in Europa.
È l'Italia da questo momento la seconda patria dell'artista francese. Nel 1972 infatti, sul set del film "La cagna", di Marco Ferreri, incontra l'attore Marcello Mastroianni di 19 anni piú grande di lei,se ne innamora totalmente. Divorziata da Bailey la Deneuve partorisce il 28 maggio del 1972 la figlia Chiara Mastroianni. È l'inizio di una delle relazioni più discusse e fotografate di sempre, almeno in Italia. Con Mastroianni l'attrice francese si ritrova in altre pellicole di successo, come "Niente di grave, suo marito è incinto", del 1973, e "Non toccate la donna bianca", del 1974, dove recita insieme al grande Ugo Tognazzi.
Nel 1977 Catherine è una delle "Anime perse" dell'omonimo film di Dino Risi, insieme con Vittorio Gassman, successo bissato con il singolare "Casotto", nello stesso anno e per la regia di Sergio Citti.
Gli anni Ottanta segnano per l'artista parigina il suo sodalizio artistico con il "Re bianco" Gérard Depardieu. Il primo film che girano insieme è "Vi amo", del 1980, cui segue, sempre nello stesso anno, "L'ultimo metrò", nel quale, per l'ultima volta sotto la direzione di Truffaut, la Deneuve vince il César come miglior attrice e il David di Donatello per la migliore interpretazione straniera. L'anno dopo, sempre con Depardieu, recita in "Codice d'onore", mentre nel 1982 è con Philippe Noiret in "Vacanze africane".Il 1983 è famoso per la sua interpretazione al fianco dell'attrice Susan Sarandon, nell'atipico horror "Miriam si sveglia a mezzanotte", in cui interpreta la parte di una vampiresca. La pellicola diventa un cult soprattutto per la scena in cui l'attrice francese si lascia andare con la collega americana in un momento lesbico che fa il giro del mondo.Dopo "Fort Saganne", del 1984, con Depardieu e Noiret, riceve la chiamata dal grande regista Mario Monicelli, che nel 1986 la vuole nel memorabile film "Speriamo che sia femmina".
Con il film "Indocina" riceve la sua prima nomination all'Oscar, nel 1992, quasi a sorpresa. Due anni dopo viene nominata vice presidente della Giuria al Festival di Cannes, edizione 1994.
L'anno dopo il regista Manoel De Oliveira la vuole ne "Il convento", con il bravo attore americano John Malkovich. È l'inizio di un sodalizio artistico con il regista il quale la richiama per i film "Ritorno a casa", nel 2000, e "Un film parlato", nel 2003. Intanto, dopo l'Orso d'Oro onorario al Festival di Berlino, grazie al graffiante "Otto donne e un mistero", del 2002, vince l'Orso d'Argento come miglior attrice. Nel 2000 lavora anche con il discusso e originale regista danese Lars von Trier, in "Dancer in the Dark".L'esordio come scrittrice arriva dopo il film "I tempi che cambiano", del 2004, con il diario "A l'ombre de moi-meme".
Nel 2006 Catherine viene nominata Presidente della giuria del Festival di Venezia. Tra il 2007 e il 2010, infine, prende parte ad alcuni altri film più o meno di rilievo come "The girl on the train", "Racconto di Natale" e "Bancs Publics", oltre a "The Big Picture" e "Potiche - La bella statuina", dove ritrova il suo amico e collega Depardieu.È ambasciatrice dell'UNESCO.
- Le collegiali (Les collégiennes), regia di André Hunebelle (1956)
- Les Petits Chats, regia di Jacques R. Villa (1959)
- La ragazza super sprint (Les portes claquents), regia di Jacques Poitrenaud, Michel Fernaud (1960)
- All'ultimo minuto (L'homme à femmes), regia di Jacques-Gérard Cornu (1960)
- Les Parisiennes, regia di Marc Allégret (1961), episodio Sophie
- I caldi amori (Et Satan conduit le bal), regia di Grisha M. Dabat (1962)
- Il vizio e la virtù (Le vice et la vertu), regia di Roger Vadim (1962)
- Antologia sessuale (Vacances portugaises), regia di Pierre Kast 1963
- Le più belle truffe del mondo episodio L'uomo che vendette la Tour Eiffel, regia di Claude Chabrol (1963)
- Les Parapluies de Cherbourg, regia di Jacques Demy (1964)
- Caccia al maschio (La chasse à l'homme), regia di Edouard Molinaro (1964)
- ...poi ti sposerò (Un monsieur de compagnie), regia di Philippe de Broca (1964)
- La costanza della ragione, regia di Pasquale Festa Campanile (1964)
- Ossessione nuda (Le chant du monde), regia di Marcel Camus (1965)
- Repulsione (Repulsion), regia di Roman Polanski (1965)
- L'armata sul sofà (La vie de château) di Jean-Paul Rappeneau (1965)
- Sopra e sotto il letto (Das Liebeskarussell), regia di Rolf Thiele, episodio Angela (1965)
- Les créatures, regia di Agnès Varda (1966)
- Bella di giorno (Belle de jour), regia di Luis Buñuel (1967)
- Josephine (Les Demoiselles de Rochefort), regia di Jacques Demy (1967)
- Benjamin ovvero le avventure di un adolescente (Benjamin ou Les mémoires d'un puceau), regia di Michel Deville (1967)
- Manon 70, regia di Jean Aurel (1967)
- La Chamade, regia di Alain Cavalier (1968)
- Mayerling, regia di Terence Young (1968)
- La mia droga si chiama Julie (La Sirène du Mississipi), regia di François Truffaut (1969)
- Sento che mi sta succedendo qualcosa (The April Fools), regia di Stuart Rosenberg (1969)
- Tristana, regia di Luis Buñuel (1970)
- La favolosa storia di Pelle d'Asino (Peau d'âne), regia Jacques Demy (1970)
- Tempo d'amore (Ça n'arrive qu'aux autres), regia di Nadine Trintignant (1971)
- La cagna (Liza), regia di Marco Ferreri (1972)
- Notte sulla città (Un flic), regia di Jean-Pierre Melville (1972)
- Non toccare la donna bianca, regia di Marco Ferreri (1973)
- Niente di grave, suo marito è incinto (L'événement le plus important depuis que l'homme a marché sur la lune), regia diJacques Demy (1973)
- Fatti di gente perbene, regia di Mauro Bolognini (1974)
- Due prostitute a Pigalle (Zig Zig), regia di László Szabó (1974)
- La ragazza con gli stivali rossi (La femme aux bottes rouges), regia di Jean-Luis Bunuel (1974)
- Appuntamento con l'assassino (L'agression), regia di Gérard Pirès (1974)
- Un gioco estremamente pericoloso (Hustle), regia di Robert Aldrich (1975)
- Il mio uomo è un selvaggio (Le sauvage), regia di Jean-Paul Rappeneau (1975)
- Chissà se lo farei ancora (Si c'était à refaire), regia di Claude Lelouch (1976)
- Anima persa, regia di Dino Risi (1976)
- La bandera - Marcia o muori (March or Die), regia di Dick Richards (1977)
- Casotto, regia di Sergio Citti (1977)
- I soldi degli altri (L'argent des autres), regia di Christian de Chalonge (1978)
- Écoute voir..., regia di Hugo Santiago (1978)
- Ils sont grands ces petits, regia di Joël Santoni (1978)
- A noi due (A nous deux), regia di Claude Lelouch (1979)
- Courage fuyons, regia di Yves Robert (1979)
- L'ultimo metrò (Le dernier métro), regia di François Truffaut (1980)
- Je vous aime, regia di Claude Berri (1980)
- Codice d'onore (Le choix des armes), regia di Alain Corneau (1981)
- Hôtel des Amériques, regia di André Téchiné (1981)
- Il bersaglio (Le choc), regia di Robin Davis (1982)
- L'Africain, regia di Philippe de Broca (1983)
- Miriam si sveglia a mezzanotte (The Hunger), regia di Tony Scott (1983)
- Scandalo a palazzo (Le bon plaisir), regia di Francis Girod (1983)
- Fort Saganne, regia di Alain Corneau (1984)
- Amore e musica (Paroles et musique), regia di Elie Chouraqui (1984)
- Speriamo che sia femmina, regia di Mario Monicelli (1985)
- Le Lieu du crime, regia di André Téchiné (1986)
- Agent trouble, regia di Jean-Pierre Mocky (1987)
- Drôle d'endroit pour une rencontre, regia di François Dupeyron (1987)
- Fréquence meurtre, regia di Elisabeth Rappeneau (1988)
- La Reine blanche, regia di Jean-Loup Hubert (1991)
- Indocina (Indochine), regia di Régis Wargnier (1992)
- Ma saison préférée, regia di André Téchiné (1993)
- Les cent et une nuits de Simon Cinéma, regia di Agnès Varda (1995)
- I misteri del convento (O Convento), regia di Manoel de Oliveira (1995)
- Court toujours: L'inconnu, regia di Ismaël Ferroukhi (1996)
- Genealogia di un crimine (Généalogies d'un crime), regia di Raoul Ruiz (1996)
- Les Voleurs, regia di André Téchiné (1996)
- Place Vendôme, regia di Nicole Garcia (1998)
- Pola X, regia di Leos Carax (1999)
- Belle Maman, regia di Gabriel Aghion (1999)
- Le Vent de la nuit, regia di Philippe Garrel (1999)
- Est-ovest - Amore-libertà, regia di Régis Wargnier (1999)
- Il tempo ritrovato (Le temps retrouvé, d'après l'oeuvre de Marcel Proust), regia di Raoul Ruiz (1999)
- Dancer in the Dark, regia di Lars von Trier (2000)
- 8 donne e un mistero (8 femmes), regia di François Ozon (2001)
- D'Artagnan, regia di Peter Hyams (2001)
- Pollicino (Le petit poucet), regia di Olivier Dahan (2001)
- Ritorno a casa (Je rentre à la maison), regia di Manoel de Oliveira (2001)
- Au plus près du paradis, regia di Tonie Marshall (2002)
- Princesse Marie, regia di Benoît Jacquot (2003)
- Un film parlato (Un Filme Falado), regia di Manoel de Oliveira (2003)
- I tempi che cambiano (Les temps qui changent), regia di André Téchiné (2004)
- I re e la regina (Rois et reine), regia di Arnaud Desplechin (2004)
- Palais Royal!, regia di Valérie Lemercier (2004)
- L'eletto (Le concile de pierre), regia di Guillaume Nicloux (2006)
- Le Héros de la famille, regia di Thierry Klifa (2006)
- Après lui, regia di Gaël Morel (2007)
- Persepolis, regia di Marjane Satrapi (2007) - voce
- Racconto di Natale (Un conte de Noël), regia di Arnaud Desplechin (2008)
- Potiche, regia di François Ozon (2010)
- Scatti rubati (L'homme qui voulait vivre sa vie), regia di Éric Lartigau (2010)
- Asterix & Obelix al servizio di Sua Maestà (Astérix & Obélix: Au service de sa Majesté), regia di Laurent Tirard (2012)
- Tre cuori (3 coeurs), regia di Benoît Jacquot (2014)