Színész családból származik. Apja, Maurice Teynac (született: Dorléac), színházi, majd filmes színész, később a Paramount Pictures filmstúdió szinkronrendezője. Anyja, Renée Deneuve ugyancsak színész volt, nagyanyja pedig színházi súgó. Négy lánytestvére közül ő a harmadik. Idősebb nővére, az ugyancsak színészi pályát választó Françoise Dorléac (1942–1967), egy tragikus autóbalesetben hunyt el.

A 60-as évek elején Deneuve együtt élt Roger Vadim filmrendezővel, akitől 1963. június 18-án fia született (Christian Vadim), majd 1965. augusztus 19-én feleségül ment David Bailey brit fényképészhez, akitől 1967-ben (jogilag 1972-ben) vált el. Ezt követően François Truffaut filmrendezővel, Marcello Mastroianni színésszel (tőle született 1972. május 28-án lánya, Chiara Mastroianni), majd a 80-as években Pierre Lescure médiaszakemberrel élt együtt.

Az egész világon úgy tekintenek rá, mint az utóbbi negyven év legnagyobb francia színésznőjére. Kivételes filmszínészi életművével nemzetközi hírnévre tett szert. Az összes nagy európai filmrendező őt keresi; neve véglegesen összeforrt a filmkészítés 20. századvégi történetével.

Filmes pályáját tinédzserként, 1956-ban kezdte André Hunebelle rendező Les Collégiennes című filmjében, még eredeti nevén, Catherine Dorléac-ként. Az áttörést a Cherbourgi esernyők című filmmusical (Jacques Demy, 1964) hozta meg számára, majd a siker Roman Polański Iszonyat (Repulsion, 1965) című filmjével, majd Luis Buñuel szürrealista mesterművel, A nap szépe (1967) folytatódott.

Hollywood is felfedezte magának, ahol partnere volt Jack Lemmon és Burt Reynolds. Olaszországban olyan rendezőkkel forgatott, mint Mauro Bolognini és Marco Ferreri, otthon pedig elsősorban François Truffaut, aki A Mississippi szirénje szerény közönségsikere után, 1980-ban ráosztotta Deneuve pályájának talán legszebb szerepét, egy szenvedélyes színésznőét, Az utolsó metróban. A film óriási sikert aratott, Deneuve pedig játékáért 1981-ben César-díjat kapott. Ezt követően André Techiné fedezte fel magának és osztott rá sikeresebbnél sikeresebb szerepeket. Deneuve végleg befutott, és kezdte elfoglalni központi helyét a francia film világában. Számára a 80-as évek egyfajta diadalmenet volt, egyre többen keresték, s egyre több elismerésben részesült.

Deneuve az UNESCO jószolgálati nagykövete. 1985-ben a francia polgármesterek szövetsége Marianne-nak választotta, arcképe a pénzérmék hátoldalát, bélyegeket, mellszobra pedig a polgármesteri hivatalokat díszítette.

Énekesként is megállta a helyét: duettet énekelt Bernadette Lafont-nal (1975), Gérard Depardieu-vel (1980), Malcolm McLarennel (1993), Joe Cockerrel (1995) és Alain Souchon-nal (1997). 1981-ben albumot készített Serge Gainsbourg dalaiból. Énekes tudását karitatív tevékenységben is felhasználta: 1997. évi fellépésével tagja lett annak a csoportnak (Enfoirés), amely országos körútja során pénzt gyűjtött a Coluche kezdeményezésére létrehozott „A szív éttermei” hálózat részére.

„A l'ombre de moi-même” (Saját árnyékomban) címmel közölte naplóját, melyben részletesen beszámolt az Indokína és a Táncos a sötétben című filmek forgatásáról.

Anyanyelvén kívül folyékonyan beszél olaszul, jól elboldogul angolul és németül is. Egy parfümmárka viseli nevét.