Née à Paris, Corinne Marchand fait connaître ses talents d'actrice et de chanteuse sur les planches, pendant ses cours de théâtre. Elle s'introduit au monde du cinéma à travers la figuration et des petits rôles, comme avec son apparition dans Gigi, le film musical de Vincente Minnelli en 1958. Quatre ans plus tard, elle joue aux côtés d'Anouk Aimée et Marc Michel, sous la férule de Jacques Demy qui lui offre le rôle de Daisy dans Lola. À travers ses seconds rôles, l'actrice attire l'attention de Claude Chabrol qui la dirige dans le film à sketchs franco-italien, Les Sept Péchés capitaux. En 1962, Corinne Marchand connaît son premier grand succès grâce au rôle principal qu'elle porte dans Cléo de 5 à 7 d'Agnès Varda.
Toujours en alternant théâtre et cinéma, l'actrice lancée par Varda poursuit sa carrière en tournant avec des réalisateurs français de renoms tels que Jean Delannoy (Les Sultans, 1966) ou Jacques Poitrenaud (Le Canard en fer blanc, 1967). En 1970, elle interprète le rôle de Mme Rinaldi dans Borsalino de Jacques Deray aux côtés de Jean-Paul Belmondo et Alain Delon avant de rejoindre Marcello Mastroianni, Catherine Deneuve et Michel Piccoli dans Liza (1971), une comédie dramatique sur la sexualité, du réalisateur italien Marco Ferreri. Outre ses performances sur grand écran, Corinne Marchand incarne Mme de Pompadour pour la télévision française dans C'est arrivé à Paris (TV) (1977) de Francois Villiers et renouvelle sa collaboration avec Jean Delannoy pour le téléfilm Le Crime de Pierre Lacaze (TV) (1983).
Au cinéma, elle est dirigée par Jean-Jacques Annaud dans Coup de tête (1979), puis par Claude Lelouch qui lui offre le rôle de Manuchka dans son film policier Attention bandits ! (1987). En 1994, Elle change de tonalité en apparaissant dans la comédie romantique de Patrice Leconte : Le Parfum d'Yvonne, qui la réunit pour la première fois avec Richard Bohringer. Sa collaboration avec l'acteur se poursuit trois ans plus tard avec la série télévisée Un Homme en colère, année au cours de laquelle elle travaille également avec Claude Pinoteau sur Les Palmes de M. Schutz qui lui permet de donner la réplique à Philippe Noiret et Isabelle Huppert.
De plus en plus discrète sur les écrans, Corinne Marchand effectue une apparition dans la saison 7 de L'Instit (2001), puis joue le rôle d'une directrice dans Innocence de Lucile Hadzihalilovic en 2005. Elle fait ensuite une pause dans sa carrière avant de tourner La Mélodie de Rachid Hami (2017), dans lequel elle interprète la mère du personnage incarné par Kad Merad.