Née de parents comédiens, Maurice Dorléac et Renée Simonot, elle est la deuxième d'une fratrie de quatre filles : Danielle (née en 1937 du comédien Aimé Clariond), Françoise,
Catherine (née en 1943) et Sylvie (née en 1946).
Enfant rebelle et adolescente indisciplinée, elle est renvoyée du lycée et s'inscrit au cours d'art dramatique de Raymond Girard avant de rentrer au Conservatoire d'art dramatique de 1957 à 1961, notamment dans la classe de Robert Manuel grâce à qui elle débutera dans Gigi de Colette au théâtre Antoine en 1960.
Elle fait ses premiers pas au cinéma en 1957 dans le court métrage Mensonges, et en 1959, elle tourne dans son premier long-métrage : Les Loups dans la bergerie. En parallèle, elle est mannequin pour Christian Dior. Elle accède au statut de vedette quand, en 1964,
Philippe De Broca l'engage pour être la partenaire de Jean-Paul Belmondo dans L'Homme de Rio. Elle enchaînera aussitôt avec La Peau douce de François Truffaut puis
Cul-de-sac de Roman Polanski en 1965, et enfin Les Demoiselles de Rochefort, film culte de Jacques Demy en 1967 où elle partage la vedette avec sa soeur Catherine Deneuve.
Boulimique de travail, elle aura tourné dans près de vingt films en à peine huit ans de carrière.
Le lundi 26 juin 1967, en retard pour prendre son avion à Nice (elle doit s'envoler pour Londres et assister à la projection de son dernier film, Les Demoiselles de Rochefort, version anglaise), il pleut, elle roule à vive allure, au volant de sa R 8, sur l'autoroute A8, et rate l'entrée de la bretelle de sortie de Villeneuve-Loubet. La voiture fait plusieurs tonneaux et prend feu. Françoise Dorléac meurt brûlée vive, à l'âge de 25 ans.
La place située devant la gare de Rochefort porte son nom depuis 1992.