Ena najbolj priznanih francoskih igralk ima za sabo pestro filmsko kariero, saj je do zdaj posnela že več kot 100 filmov. Za svoje delo je bila nagrajena s številnimi priznanji in nagradami - med njimi sta dva cezarja, ki jih podeljuje francoska filmska akademija -, nominirana pa je bila tudi za oskarja. Igrala je tudi v sedmih angleških filmih, med katerimi je najbolj znan film Lakota iz leta 1983.

Zelo zaposlena je bila tudi zunaj filmskega sveta: pojavljala se je kot model, zaradi njene lepote so jo k sodelovanju vabile številne modne in kozmetične hiše, med letoma 1985 in 1989 pa je predstavljala tudi Marianne, nacionalni simbol Francije.

Kot Catherine Fabienne Dorléac se je sredi vojne vihre rodila v umetniško družino, saj sta bila tudi njena starša igralca. Svojo kariero je začela že v otroških letih, pri enajstih letih je nastopila v filmih Les Collégiennes, ki je prišel na platna leta 1957. Igralka je bila tudi njena starejša sestra Françoise Dorléac, zato je Catherine začela uporabljati materin dekliški priimek.

Film, ki je Deneuvovi odprl vrata slave, je bil muzikal Dežniki iz Cherbourga (Les Parapluies de Cherbourg), ki ga je posnela leta 1963 pod režisersko taktirko Jacquesa Demyja. Z njim je leta 1967 posnela še en znan muzikal, Les Demoiselles de Rochefort, v katerem je zaigrala s sestro Françoise Dorléac, ki je leto pozneje tragično umrla v prometni nesreči blizu Nice.

Iz začetnega obdobja igralkine kariere velja izpostaviti še psihološki triler Romana Polanskega Gnus (Repulsion) - to je bil njegov prvi film v angleščini,- kjer je zaigrala skrivnostno in nedostopno belgijsko lepotico, manikerko Carol, ki se na koncu prelevi v morilko.

V srca filmskih oboževalcev pa se je zapisala v filmu Luisa Buñuela Lepotica dneva, v katerem je upodobila damo iz pariške visoke družbe, ki svoje spolne fantazije izživlja v javni hiši. Leta 1970 je zaigrala še v Buñuelovem filmu Tristana. V 60. in 70. letih je igrala predvsem v evropskih filmih, vmes pa posnela dva filma v ZDA: leta 1969 The April Fools in leta 1975 Hustle.

Za vlogo v Indokini nominirana za oskarja
Za svojo vlogo v filmu Zadnji metro slavnega režiserja Francoisa Truffauta je prejela svojega prvega cezarja za glavno žensko vlogo. Leta 1983 je posnela kultni film Tonyja Scotta Lakota, v katerem je nastopila kot biseksualna vampirka, v filmu pa sta igrala tudi David Bowie in Susan Sarandon. Leta 1992 ji je film Indokina prinesel drugega cezarja za glavno žensko vlogo in prvo nominacijo za oskarja. Vse do danes je njena vloga lastnice plantaže Éliane Devries ena izmed le nekaj neangleško govorečih vlog, ki so bile nominirane za najboljšo žensko vlogo.

Leta 1997 je nastopila tudi v videospotu za pesem Joeja Cockerja N'oubliez jamais, tri leta pozneje pa je veliko prahu in nelaskavih kritik povzročilo tudi njeno pojavljanje v filmu Plesalka v temi, v katerem je zaigrala z islandsko pevko Björk.

Avtobiografija
Leta 2005 je izdala svojo avtobiografijo z naslovom A l'ombre de moi-meme (v prevodu V svoji lastni senci), v kateri je opisala svoje videnje obdobja, ko je snemala filme z najboljšimi igralci tistega časa, od Burta Reynoldsa, Jacka Lemmona, Vincenta Pereza do Johna Malkovicha, Alaina Delona, Gérarda Depardieuja in Marcela Mastroiannija.

Med projekti, v katerih je sodelovala v zadnjih letih, velja izpostaviti tudi risanko Persepolis (2007), ki temelji na avtobiografskem romanu v Iranu rojene francoske umetnice Marjani Satrapi. Deneuvova je v njej posodila glas materi glavnega lika Marji (njej je glas posodila Chiara Mastroianni, hčerka Deneuvove), ki opisuje odraščanje v času iranske revolucije. Risanka je prejela številne nagrade, med drugim tudi veliko nagrado žirije na canskem filmskem festivalu.

Na filmskih platnih smo jo lahko občudovali tudi v komediji Gospodinja (2010) in muzikalu Les Bien-aimés, v katerem sta s hčerko Chiaro Mastroianni dejansko prvič skupaj nastopili pred kamerami.

Dejavna tudi na humanitarnem področju
Že leta je zelo dejavna tudi na humanitarnem področju, od sodelovanja v različnih projektih v Afriki do zavzemanja za sirote. Na področju boja proti smrtni kazni sodeluje tudi z organizacijo Amnesty International, bila pa je tudi Unicefova ambasadorka dobre volje, a je po devetih letih protestno odstopila, ker je bil francoski poslovnež Pierre Falcone imenovan za predstavnika Angole, kar mu je omogočilo pobeg pred roko pravice zaradi obtožb o trgovanju z orožjem.

Mediji so bili že od nekdaj na preži za njenimi ljubimci
Francoski mediji so že desetletja obsedeni z igralko, ki je imela tudi pestro zasebno življenje, kar seveda ni ušlo sedmi sili. Pri 17 letih se je preselila k 16 let starejšemu režiserju Rogerju Vadimu, s katerim sta dve leti pozneje dobila sina Christiana Vadima, njuna zveza pa se je končala le mesec dni po njegovem rojstvu.

Kljub številnim zvezam in ljubimcem je usodni da izrekla le enkrat: leta 1965 se je poročila z britanskim fotografom Davidom Baileyjem, a se je izkazalo, da "da" le ni bil tako usoden, saj sta se po sedmih letih razšla. Naslednji moški, ki je močno zaznamoval njeno življenje, je bil igralec Marcello Mastroianni, s katerim sta skupaj zaigrala v petih filmih. Leta 1972 se je rodila njuna hčerka Chiara Mastroianni, ki je šla po stopinjah staršev in tudi sama postala igralka. Starša sta se po nekaj letih razšla, a ostala dobra prijatelja. Med njenimi ljubimci sta bila tudi Clint Eastwood in François Truffaut.

Na vprašanje, kateri med njenimi filmi je njen najljubši, je v enem izmed intervjujev dejala: "Še vedno bi odgovorila, da Les Parapluies de Cherbourg. Narediti film z glasbo, kot je operna, je bila neverjetna izkušnja. Toda delati z glasbo ves čas, to te kar dvigne, veste? To je opera, to je nekaj čisto drugačnega."