Son père, Maurice Dorléac, était acteur de théâtre et de cinéma mais également directeur de doublage à la Paramount Pictures. Sa mère, Renée Simonot, dont elle a utilisé le véritable patronyme : Deneuve, avait été pensionnaire du théâtre de l'Odéon où sa grand-mère avait été souffleuse.
Elle est la troisième des quatre filles de Renée Simonot ; ses trois soeurs sont Danielle (née en 1937 du comédien Aimé Clariond), Françoise (née en 1942, décédée dans un accident de voiture en 1967) et Sylvie (née en 1946).
Elle débute au cinéma en 1956, sous son nom (Catherine Dorléac), avec un petit rôle dans Les Collégiennes d'André Hunebelle. « Je joue en uniforme de collège, et c'est là que j'apprends à nouer des cravates. » dira-t-elle.
Quatre ans plus tard, sa soeur Françoise lui dit : « Tu sais. Ce serait amusant que tu fasses des essais. Je dois tourner cet été un film qui s'appelle Les portes claquent et le réalisateur, Jacques Poitrenaud, cherche une jeune fille pour jouer ma soeur. Tu devrais y aller. » Après avoir obtenu l'accord de ses parents, Catherine Deneuve passe des essais et elle est choisie pour le rôle. Elle n'est cependant pas intéressée par le métier. Cet épisode l'amène cependant à interrompre ses études, alors qu'elle se trouvait en classe de seconde.
Le réalisateur Mel Ferrer lui trouve une ressemblance avec Audrey Hepburn et l'engage pour tourner L'Homme à femmes avec Danielle Darrieux. Les critiques saluent sa performance.
-- France Roche, France Soir (1960).
En 1962, elle rencontre Roger Vadim à l'Epi Club de Montparnasse. « Ce fut le coup de foudre. Vadim m'apprit à devenir femme, à me faire une personnalité et à vivre dans le bonheur », pense Catherine Deneuve. Il lui offre un rôle dans Le Vice et la Vertu en 1962. Elle vit ensuite avec le cinéaste, de quinze ans son aîné, dont elle a un fils
Christian né le 18 juin 1963.
En 1964, elle incarne le premier rôle féminin du film musical de Jacques Demy, Les Parapluies de Cherbourg, récompensé par la Palme d'or au Festival de Cannes et par le Prix Louis Delluc. Tout le monde ne parle que d'elle, de sa beauté, de sa grâce, de cette manière d'être à la fois légère et profonde, gaie et mélancolique. Elle est la révélation de l'année 1964 et devient l'incarnation de l'idéal féminin. La rencontre avec Jacques Demy est un tournant dans sa carrière puisqu'elle devient l'un des visages les plus emblématiques de l'univers poétique, enchanté et grave du réalisateur. Elle tourne encore trois films avec lui : Les Demoiselles de Rochefort dans lequel elle donne la réplique à sa soeur Françoise Dorléac, Peau d'Âne et L'Événement le plus important depuis que l'homme a marché sur la Lune. En revanche, elle renonce au rôle d'Edith dans Une chambre en ville, parce que Jacques Demy refuse qu'elle chante elle-même les dialogues. Cela entraine la suspension du projet, qui sera tourné sept ans plus tard avec Dominique Sanda dans le premier rôle.
En 1965, Roman Polanski révèle une facette plus sombre de sa personnalité dans Répulsion où elle joue une femme perturbée qui sombre dans la schizophrénie meurtrière. Dans un registre différent, elle est une jeune femme rayonnante et débordante de vie dans La Vie de château de Jean-Paul Rappeneau.
Dans
Belle de Jour de Luis Buñuel, elle interprète aux côtés de Michel Piccoli, Pierre Clementi et Francis Blanche, l'épouse d'un interne en médecine qui, malgré sa richesse, se livre à la prostitution occasionnelle. Ce film lui donne une image de beauté froide, ambiguë et retorse à laquelle elle reste fidèle. Elle retrouve Buñuel avec Tristana, présenté à Cannes en 1970.
Elle tourne ensuite avec Michel Deville, François Truffaut, Claude Lelouch, Marco Ferreri, Dino Risi, Alain Cavalier et Philippe Labro puis embrasse une carrière internationale sous la direction de Stuart Rosenberg, Robert Aldrich et plus tard sous celle de Tony Scott et Lars von Trier.
Grâce au Dernier Métro de Truffaut qui l'avait déjà dirigée dans La Sirène du Mississippi, elle remporte le César de la meilleure actrice en 1981. Ce rôle de directrice de théâtre sous l'Occupation cachant son mari juif dans la cave avait été spécialement écrit pour elle. Le film obtient en record absolu neuf autres trophées dont ceux du meilleur film, du meilleur acteur pour Gérard Depardieu, du meilleur scénario et du meilleur réalisateur.
Hôtel des Amériques ouvre l'ère des collaborations avec André Téchiné qui la montre sous un nouveau jour dans Le Lieu du crime, Ma saison préférée, Les Voleurs et Les Temps qui changent entre autres.
Catherine Deneuve est aujourd'hui une star respectée qui alterne aussi bien les films grand public tels
Fort Saganne d'Alain Corneau ,
Le Bon Plaisir de Francis Girod,
Indochine et Est-Ouest de Régis Wargnier, Belle Maman de Gabriel Aghion ou encore Huit Femmes et
Potiche de François Ozon, que des oeuvres d'auteur artistiquement ambitieuses comme Drôle d'endroit pour une rencontre de François Dupeyron, Généalogies d'un crime et Le Temps retrouvé de Raoul Ruiz , Le Vent de la nuit de Philippe Garrel, Pola X de Léos Carax et Je rentre à la maison de Manoel de Oliveira.
Son interprétation d'une propriétaire de plantation d'hévéas dans l'
Indochine française vue par Wargnier lui vaut un nouveau César en 1993 et également une première nomination à l'Oscar de la meilleure actrice. Elle reçoit ensuite la Coupe Volpi de la meilleure interprète féminine à la Mostra de Venise en 1998 pour son rôle de joaillère alcoolique dans Place Vendôme de Nicole Garcia. En 2008, le jury du festival de Cannes, présidé par Sean Penn, rend hommage à son personnage de matriarche atteinte d'un cancer dans Un conte de noël d'Arnaud Desplechin ainsi qu'à l'ensemble de sa carrière par l'attribution d'un prix spécial.
Considérée dans le monde entier comme l'une des plus belles femmes et l'une des grandes actrices françaises de ces quarante dernières années, elle jouit d'une notoriété internationale et d'une filmographie exceptionnelles. La plupart des grands réalisateurs européens ont fait appel à elle, associant définitivement son nom à l'histoire du cinéma de la seconde moitié du XXe siècle.
En 1985, elle a prêté ses traits à la sculpture de Marianne, symbole de la République française.
En 1999, l'Unesco la choisit comme ambassadrice à la préservation du patrimoine cinématographique.
Elle a vécu avec le réalisateur Roger Vadim, dont elle a eu un fils,
Christian (né le 18 juin 1963).
En 1965, elle épouse le photographe David Bailey, dont elle se sépare en 1967, mais le divorce n'est prononcé qu'en 1972.
Elle vit par la suite avec Marcello Mastroianni, dont elle a une fille,
Chiara (née le 28 mai 1972, elle-même actrice), puis avec l'homme d'affaires Bertrand de Labbey, qui reste son agent et avec l'homme de médias Pierre Lescure dans les années 1980. Elle a également eu une liaison avec le réalisateur François Truffaut.
Elle vit à Paris, près de l'église Saint-Sulpice, et possède un château près d'Oulins, dans l'Eure, à 20 km de Vernon.
En 1971, elle signe le manifeste des 343 salopes affirmant, dans l'objectif d'en obtenir la légalisation, avoir pratiqué l'avortement.
Lors de la présidentielle de 2007, elle soutient Ségolène Royal en cosignant la pétition Un million de femmes s'énervent, contre le sexisme dont les signataires jugeaient que la candidate socialiste était victime.
Le 7 avril 2009, elle cosigne une lettre ouverte s'élevant contre la loi Création et Internet, avec Chantal Akerman, Christophe Honoré, Jean-Pierre Limosin, Zina Modiano, Gaël Morel, Victoria Abril, Louis Garrel, Yann Gonzalez, Clotilde Hesme, Chiara Mastroianni, Agathe Berman et Paulo Branco.