Issue d'une famille de comédiens - une grand-mère souffleuse à l'Odéon, une mère actrice de théâtre et un père directeur de doublage à la Paramount, la petite Catherine ne rêve pourtant pas d'une carrière dans le cinéma, contrairement à sa soeur aînée Françoise. Elle fait cependant sa première apparition à l'écran dès 1957 dans Les Collégiennes puis tourne, alors qu'elle est encore lycéenne, Les Portes claquent. À 19 ans, celle qui s'appelle désormais Deneuve - le nom de jeune fille de sa mère - quitte le foyer familial pour vivre avec Roger Vadim, de quinze ans son aîné. Père de son fils Christian, le cinéaste lui offre un rôle dans Le Vice et la vertu en 1963.

En 1964, Catherine Deneuve est l'héroïne des Parapluies de Cherbourg, le mélo en-chanté de Demy, succès public et Palme d'or à Cannes. Désormais, elle prend son métier d'actrice au sérieux, et fait des choix qui témoignent d'un goût très sûr et d'une certaine audace. Loin de son image de jeune fille romantique, que favorisent sa beauté classique et ses cheveux blonds, elle incarne une schizophrène dans Répulsion de Polanski, puis une épouse sage devenue pensionnaire d'une maison close dans Belle de jour (1966) de señor Buñuel, avec qui elle tournera le non moins troublant Tristana. Dans La Vie de château puis Le Sauvage, Rappeneau exploite sa fantaisie et son sens du rythme, qualités qu'on retrouve dans Les Demoiselles de Rochefort, comédie musicale qui la voit donner la réplique à sa soeur Françoise, quelques mois avant le décès accidentel de celle-ci en 1967.

Hollywood fait alors les yeux doux à Catherine Deneuve, qui tourne aux côtés de Jack Lemmon et Burt Reynolds et devient l'image de Chanel aux États-Unis. Dirigée par de grands Italiens comme Bolognini et Ferreri (Liza avec Marcello Mastroianni, père de sa fille Chiara), l'actrice rencontre en 1969 François Truffaut, qui fait d'elle sa Sirène du Mississippi. Cette adaptation d'un polar d'Irish déconcerte le public, mais le cinéaste qui aimait les femmes offre en 1980 à Deneuve un de ses plus beaux rôles, celui d'une comédienne au tempérament passionné dans Le Dernier Métro. Le film est un triomphe et vaut à l'actrice un César en 1981. La même année, dans Hôtel des Amériques, elle est Hélène, premier des cinq personnages de femmes à la fois volontaires et vulnérables que lui écrira Techiné, son nouveau réalisateur-fétiche (Ma saison préférée, Les Temps qui changent).

Au fil des décennies suivantes, Catherine Deneuve, choisie en 1985 comme modèle pour le buste de Marianne, continue d'occuper une place centrale dans le paysage cinématographique français. Sa participation à de grandes fresques populaires, comme Indochine de Wargnier (avec à la clé un nouveau César en 1992) et à une comédie comme Belle Maman asseoit son statut de star, mais la cinéphile Deneuve travaille aussi avec les talents les plus singuliers du cinéma français, de Carax à Desplechin en passant par Ozon (8 femmes en 2002), et même international (Oliveira, von Trier). Mettant régulièrement à mal son image de femme sophistiquée, elle campe l'héroïne suicidaire du Vent de la nuit de Garrel, et celle, alcoolique, de Place Vendôme, une prestation qui lui vaut le Prix d'interprétation à Venise en 1998, année au cours de laquelle elle reçoit à Berlin un Ours d'Or d'honneur pour l'ensemble de sa carrière.

Loin de se reposer sur les lauriers, Catherine Deneuve prend part aux projets les plus variés : du film choral et glamour à la française (Le Héros de la famille) au dessin animé novateur (elle prête sa voix à la mère de l'héroïne de Persepolis en 2007), de la comédie décalée (Palais royal ! en 2004, Cyprien) au film conceptuel (Je veux voir, tourné dans un Liban en ruines), du jeune cinéma d'auteur (elle porte de bout en bout Après lui de Gaël Morel) à la superproduction (Le Concile de pierre). Au fil d'un parcours riche en nouvelles rencontres, elle retrouve régulièrement des cinéastes repères, comme André Téchiné (La Fille du RER en 2009, L'Homme qu'on aimait trop en 2014) ou Arnaud Desplechin (Un conte de Noël). Elle s'assoit sur l'un des Bancs publics (Versailles rive droite) de Bruno Podalydès, et campe la mère de Marina Hands dans Mères et filles (2009) avant de jouer celle de substitution de Romain Duris, dans L' Homme qui voulait vivre sa vie.

En 2010, elle retrouve l'oeil avisé de François Ozon qui la métamorphose dans Potiche, comédie de boulevard dans laquelle elle interprète une épouse effacée, muée en femme d'affaires plus combative que jamais. La même année, elle est à l'affiche du drame Les Yeux de sa mère, dans lequel elle y interprète une journaliste star de la télé, aux côtés de Géraldine Pailhas et Nicolas Duvauchelle. En 2011, Christophe Honoré lui offre la possibilité de jouer avec sa fille, Chiara Mastroianni, dans son film musical Les Bien-aimés, aux côtés de Ludivine Sagnier, qui interprète son personnage jeune ; en 2014, c'est Benoît Jacquot qui lui offre de nouveau cette possibilité dans 3 coeurs.

Après avoir une nouvelle fois prouvé son sens de l'auto-dérision en incarnant la Reine d'Angleterre face à Astérix et Obélix, puis dans Le Tout Nouveau Testament, Catherine Deneuve fait une nouvelle rencontre de cinéma en la personne d'Emmanuelle Bercot, qui la dirige à deux reprises dans Elle s'en va puis La tête haute, film d'ouverture du Festival de Cannes 2015. Elle forme ensuite un tandem surprenant avec Gustave Kervern dans la cour, l'histoire de deux êtres au tournant de leur vie. Tandis qu'elle se frotte à son passé dans Le Cancre et Sage Femme, elle apparaît dans plusieurs comédies comme Bonne pomme, pour laquelle elle retrouve Gérard Depardieu, mais aussi Mauvaises herbes et Terrible jungle.

Elle côtoie également le rappeur-acteur Nekfeu pour Tout nous sépare, participe à la Fête de famille de Cédric Kahn et reste fidèle à André Téchiné pour L'Adieu à la nuit. En 2019, elle rejoint la distribution de La vérité de Hirokazu Koreeda, s'enfonce dans une Terrible Jungle avec Jonathan Cohen et retrouve Emmanuelle Bercot pour De son vivant, dans lequel elle incarne une mère dont le fils (Benoît Magimel) est atteint d'un cancer incurable.

En 2023, elle joue son propre rôle dans Habib, la grande aventure puis enfile les tailleurs de l'ancienne Première dame Bernadette Chirac dans un biopic décalé.