Considerata una delle più grandi attrici europee, Catherine Deneuve è figlia dell'attore Maurice Dorléac e di Renée Deneuve, entrambi doppiatori. Debutta nel cinema ancora adolescente nel 1956, nel film Le collegiali. Anche sua sorella maggiore, Françoise Dorléac, aveva intrapreso la carriera di attrice, ma perse la vita a 25 anni in un incidente d'auto.
Dopo alcune particine poco interessanti che le fanno pensare di lasciare il mondo del cinema, grazie anche alla sorella, incontra il regista Jacques Demy che le offre il ruolo di protagonista nel film musicalLes Parapluies de Cherbourg (1964). Grazie a questo film raggiunge il successo e ottiene la possibilità di lavorare in film importanti con registi di fama: La costanza della ragione di Pasquale Festa Campanile (1964), Répulsion (1965) di Roman Polański e Bella di giorno (1967) di Luis Buñuel. Quest'ultima interpretazione è elencata nelle 100 migliori di tutti i tempi secondo il Premiere Magazine.
Alla fine degli anni '60 arrivano delle proposte di lavoro di Hollywood, prima Mayerling diretto da Terence Young, una superproduzione storica in cui interpreta Maria Vetsera, il grande amore dell'arciduca Rodolfo d'Austria; in seguito gira Sento che mi sta succedendo qualcosa con Jack Lemmon. Entrambi i film non suscitano grande interesse nel pubblico e nella critica e anche l'attrice non si sente soddisfatta tanto da rinunciare ad altre proposte degli studios americani anche un ruolo da Bond-girl preferendo restare nel suo paese.
Negli anni '70 continua a lavorare senza sosta non solo in Francia ma anche all'estero, soprattutto in Italia dove collabora con registi come Marco Ferreri (per il quale lavora a fianco di Marcello Mastroianni nel film La cagna del 1972), Mauro Bolognini e Dino Risi. Riceve offerte anche dagli USA che le permettono di lavorare con attori come Omar Sharif, Jack Lemmon e Gene Hackman, ma non conserva un ricordo positivo di tutti questi film. Nel 1997 è protagonista del video della canzone N'Oubliez Jamais di Joe Cocker.
Una nuova svolta nella sua carriera arriva nel 1981 con l'interpretazione nel film L'ultimo metrò di François Truffaut, grazie al quale vince il suo primo César come migliore attrice. Nel 1992 ottiene il suo secondo premio con il film Indocina, in un ruolo che le vale nel medesimo anno anche la candidatura al premio Oscar alla miglior attrice.
Ambasciatrice dell'UNESCO, la Deneuve ha avuto due figli, entrambi attori: Christian Vadim, nato nel 1963 dalla sua relazione con il regista Roger Vadim, e Chiara Mastroianni, nata nel 1972 dalla sua relazione pluriennale con l'attore italiano Marcello Mastroianni.
È stata sposata una sola volta, dal 1965 al 1972, con il fotografo britannico David Bailey.
Assieme alla figlia Chiara Mastroianni, Chantal Akerman, Christophe Honoré, Jean-Pierre Limosin, Zina Modiano, Victoria Abril, Gaël Morel, Louis Garrel, Yann Gonzalez, Clotilde Hesme, Agathe Berman e Paulo Branco è stata tra i sottoscrittori della lettera aperta agli spettatori cittadini (Lettre ouverte aux spectateurs citoyens), pubblicata da Libération il 7 aprile 2009, contro la legge numero 669 del 12 giugno 2009, nota come "Loi Création et Internet", istitutiva della HADOPI (Haute Autorité pour la diffusion des œuvres et la protection des droits sur l'Internet).[5]
2017 – Premio della giuria per la miglior attrice per Quello che so di lei
CinEuphoria Awards
2019 – Premio onorario alla carriera
Globes de Cristal Awards
2009 – Candidatura per la miglior attrice per Racconto di Natale
2018 – Candidatura per la miglior attrice per Quello che so di lei
Awards Circuit Community Awards
1992 – Candidatura per la migliore attrice protagonista per Indocina
Women in Film Crystal + Lucy Awards
1993 – Premio internazionale
Bangkok International Film Festival
2006 – Premio alla carriera
Filmfest Hamburg
2015 – Premio Douglas Sirk
Hawaii European Cinema Film Festival
2015 – Premio Christina Hassell alla carriera
Odessa International Film Festival
2019 – Premio Golden Duke alla carriera
Nelle versioni in italiano dei suoi film, Catherine Deneuve è stata doppiata da:
Maria Pia Di Meo in All'ultimo minuto, Caccia al maschio, La Chamade, La mia droga si chiama Julie, Appuntamento con l'assassino, Un gioco estremamente pericoloso, Chissà se lo farei ancora,La bandera - Marcia o muori, Codice d'onore, Speriamo che sia femmina, Place Vendôme, Pola X, Le relazioni pericolose, I re e la regina, L'eletto, Scatti rubati, Amore e musica, Asterix & Obelix al servizio di Sua Maestà, On My Way, All That Divides Us - Amore criminale, Bonne pomme - Nessuno è perfetto
Melina Martello in Le più belle truffe del mondo, L'ultimo metrò, 8 donne e un mistero, Racconto di Natale, Potiche - La bella statuina, Tre cuori, Quello che so di lei, L'erba cattiva, Tutti i ricordi di Claire, Le verità, Marcello mio
Vittoria Febbi in ...poi ti sposerò, La favolosa storia di Pelle d'Asino, Niente di grave, suo marito è incinto, Anima persa, Il bersaglio, Pollicino
Angiola Baggi in I misteri del convento, Est-ovest - Amore-libertà, Il tempo ritrovato, Nip/Tuck, I tempi che cambiano, A testa alta
Fiorella Betti in Repulsione, Benjamin ovvero le avventure di un adolescente, Mayerling, Sento che mi sta succedendo qualcosa
(EN) Mary Blume e International Herald Tribune, The French icon Marianne à la mode, in The New York Times, 16 luglio 2004. URL consultato il 6 marzo 2018.
(FR) Chantal Akerman, Christophe Honoré, Jean-Pierre Limosin, Zina Modiano, Gaël Morel, Victoria Abril, Catherine Deneuve, Louis Garrel, Yann Gonzalez, Clotilde Hesme, Chiara Mastroianni, Agathe Berman e Paulo Branco, Lettre ouverte aux spectateurs citoyens, su liberation.fr, 7 aprile 2009. URL consultato il 14 maggio 2015.
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Premio Imperiale 2018
