Третья из четырёх дочерей французских актёров Мориса Дорлеака и Рене Денёв. Фамилию матери стала использовать в самом начале карьеры, чтобы её не путали с более известной в тот момент старшей сестрой Франсуазой Дорлеак. Две другие сестры — Сильвия и Даниэла Дорлеак — также актрисы.
Катрин Денёв приобрела статус звезды после каннского триумфа музыкального фильма «Шербурские зонтики» (1964). В следующем году исполнила главную роль в психологическом триллере Романа Поланского «Отвращение» — первом англоязычном фильме знаменитого режиссёра.
В последующие годы укрепила репутацию ведущей французской актрисы, работая с такими режиссёрами, как Луис Буньюэль («Тристана», 1970) и Франсуа Трюффо…
(«Последнее метро», 1980).
Несмотря на неоднократные приглашения в Голливуд, Денёв осталась известной аудитории в Штатах преимущественно как героиня роликов, рекламирующих парфюмерную продукцию, и одна из вампирш из культового фильма «Голод» (1983).
Вокальные данные актрисы можно оценить в фильме «Я вас люблю» (1980), где она вместе с Сержем Генсбуром исполняет его песню «Dieu est un fumeur de Havanes…». В 1981 году выпустила сольный альбом «Souviens-toi de m’oublier».
У Катрин Денёв двое детей: сын Кристиан от режиссёра Роже Вадима и дочь Кьяра Мастроянни — от актёра Марчелло Мастроянни. В 2004 г. актриса приезжала в Москву на презентацию книги Андрея Плахова о ней самой. В сентябре 2009 г. Катрин Денёв приезжала во Владивосток для участия в седьмом международном кинофестивале стран АТР «Меридианы Тихого».
