De son vrai nom Marianne Cuau, elle est la fille de Bernard Cuau, professeur de lettres sur le campus de Jussieu, documentariste et membre du comité de rédaction de la revue Les Temps modernes, et Denise Zigante, comédienne. Elle fait sa première apparition à l'écran en figurante dans L'Argent de Robert Bresson, en 1983. Elle suit des cours d'art dramatique avant d'intégrer l'école des Amandiers de Nanterre, où elle a pour professeurs Patrice Chéreau et Pierre Romans. En 1987, elle est L'Amoureuse dans le marivaudage que Jacques Doillon tourne avec les élèves des Amandiers. Entre-temps, Marianne Denicourt fait ses classes dans le cinéma d'auteur : La Belle Noiseuse de Jacques Rivette (cinéaste qui la fait chanter et danser en 1995 dans Haut bas fragile), dans La Vie des morts, le moyen métrage qui, en 1990, révèle Arnaud Desplechin avec lequel elle va tourner ses deux premiers longs métrages, La Sentinelle et Comment je me suis disputé… et avec qui elle aura plus tard une liaison. Au milieu des années 1990, Marianne Denicourt joue dans de nombreux films : une assistante d'un psychanalyste dans Passage à l'acte de Francis Girod, une maîtresse du marquis dans le Sade de Benoît Jacquot (2000). Dans deux films elle donne la réplique à Daniel Auteuil qui deviendra son compagnon. Elle joue également dans plusieurs comédies, À mort la mort ! de Romain Goupil, Quelqu'un de bien de Patrick Timsit, Une pour toutes de Claude Lelouch et Monique : toujours contente (2001) de Valérie Guignabodet. En 2005, elle tourne Le Domaine perdu sous la direction de Raoul Ruiz. Depuis 2010, elle a tourné avec une nouvelle génération de réalisateurs. En 2013, elle est à l'affiche de Hippocrate – film pour lequel elle est nommée pour le César de la meilleure actrice dans un second rôle et en 2016 de Médecin de campagne –, tous deux réalisés par Thomas Lilti et portant sur l'univers de la médecine. Entre-temps, elle interprète le rôle de Martine Monteil, célèbre directrice de la brigade criminelle à l'époque de l'affaire Guy Georges, dans L'Affaire SK1 de Frédéric Tellier. Marianne Denicourt est marraine de l'association Afghanistan demain depuis 2005. Elle a réalisé pour cette dernière deux documentaires tournés à Kaboul : Une maison à Kaboul et Nassima, une vie confisquée qui reçoit le prix média pour l'enfance en 2009. En 2015 elle fait partie du jury présidé par Roschdy Zem lors du 37e Festival du cinéma méditerranéen de Montpellier.
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“ Je déteste Amalric, je déteste Salinger, je déteste Denicourt, je déteste, je déteste Desplechin. Bref, j'ai pas tellement aimé le film. ”— xzerep22 octobre 2023
“ Le film commence comme Death Proof en Normandie puis bascule vers le marivaudage précieux. Denicourt et Bruni-Tedeschi sont superbes. ”— Simbans20 mai 2017
“ Médecin de campagne éblouit par son humanisme & sa bienveillance à l'égard de ses perso (autant patients que médecins). Denicourt excellente ”— Piwi30 janvier 2016
“ Thomas Lilti délocalise HIPPOCRATE en zone rurale. Tout est très juste, François Cluzet et (surtout) Marianne Denicourt sont excellents. ”— Fe26 février 2016
“ La profession de médecin de campagne trouve ici un très bel hommage, offert par Lilti grâce au binôme Cluzet/Denicourt, sincère et efficace. ”— PulpMovies 7 mars 2016