Elle débute sa carrière comme mannequin, mais sa "petite" taille (1,67m) limitant ses contrats dans la mode, elle décide de devenir actrice.
Révélée par son rôle sulfureux dans
Sexcrimes (la scène d'amour entre elle,
Matt Dillon et
Neve Campbell a fait couler beaucoup d'encre), elle est connue pour son apparition en James Bond girl dans
Le monde ne suffit pas (1999) et précédemment dans
Starship Troopers (1997). Elle a fait des apparitions régulières dans la série Spin City et joue en 1993 une fille de 15 ans (alors qu'elle est âgée de 21 ans) dans un épisode de Seinfeld.
Mariée le 15 juin 2002 avec l'acteur
Charlie Sheen, elle a commencé une procédure de divorce en mars 2005. Le couple a deux enfants : Sam Katherine (9 mars 2004) et Lola Rose (1er juin 2005).
En décembre 2004, cinq mois après la naissance de sa fille Sam, Denise Richards pose entièrement nue dans le magazine Playboy, afin de se prouver à elle-même qu'elle peut retrouver un corps et une silhouette parfaite. Les photos sont parues dans le numéro de décembre 2004 aux États-Unis.
Elle a son propre reality show Pas facile d'être Denise Richards (en VO : Denise Richards : It's complicated, diffusé sur la chaine américaine E! en 2008 et sur MCM en 2009. L'émission détaille sa vie quotidienne de mère célibataire à Hollywood depuis son divorce et comment elle gère sa carrière et sa publicité.
En 2009 elle participe à la huitième saison de danse pour célébrité, Dancing with the Stars, avec notamment l'acteur français Gilles Marini et le co-fondateur d'Apple, Steve Wozniak.
Elle a entretenu une relation avec le bassiste de Mötley Crüe, Nikki Sixx.