Au moment de la sortie du film, Catherine Deneuve a beaucoup été comparée à Brigitte Bardot : même blondeur, même look...
Catherine Deneuve était une muse pour Roger Vadim, comme l'avait été Brigitte Bardot et Annette Stroyberg. A son sujet, il avait déclaré dans la revue CinéMonde, en 1963, "J'ai de grands projets pour Catherine, je suis aussi excité par elle que je l'ai été sur Brigitte. Les cours d'art dramatique ne servent à rien. Les acteurs n'apprennent pas avec des méthodes ou des procédés, mais avec leur instinct... s'ils en ont. Et ils doivent commencer très jeunes. Mais pour cela il faut être tout le temps avec eux. Donc il est préférable d'être également amoureux. Moi je veux vivre vingt-quatre heures par jour avec la fille que j'ai choisie pour la modeler. Quand on a passé la nuit ensemble, on parle ensemble, le matin, à la table au petit déjeuner."
Après avoir lancé Brigitte Bardot et Annette Stroyberg (Vadim), Roger Vadim jette son dévolu sur Catherine Deneuve, pour qui il aura un véritable coup de foudre. Marié et divorcé à deux reprises, le cinéaste restera en couple quelques années avec la comédienne (il ne lui passera cependant pas la bague au doigt). Ils auront un fils, Christian Vadim, aujourd'hui comédien.
La filmographie de Roger Vadim comporte de nombreux films adaptés de romans, de Choderlos De Laclos à Françoise Sagan, en passant par Zola. Pour Le Vice et la Vertu, Vadim s'inspire librement de l'œuvre du Marquis de Sade, en situant l'histoire pendant l'Occupation.
Si Catherine Deneuve avait déjà joué la comédie dans plusieurs longs métrages, c'est grâce au Vice et à la vertu qu'elle a été révélée au grand public. Pour ce rôle -elle incarne la Vertu, tandis qu'Annie Girardot représente le Vice-, Deneuve a opéré une métamorphose, passant de jeune fille à femme fatale. C'est la première fois qu'elle arbore cette coupe de cheveux et qu'elle apparait en blonde ! Et Vadim créa Deneuve !