Née dans le 6ème arrondissement de Paris, Catherine Demongeot devient subitement une enfant-star lorsqu'elle est choisie par Louis Malle pour jouer le personnage principal de Zazie dans le métro : une petite provinciale espiègle confiée par sa mère à son oncle Gabriel, un danseur travesti (Philippe Noiret).
Avec ses nombreuses fugues ponctuées de diverses rencontres et courses-poursuites toutes plus abracadabrantes les unes que les autres, Zazie mène la vie dure à ce dernier dans les rues de Paris. Doté d'un tempérament fougueux et indiscipliné (elle dit aussi des gros mots !), le personnage marque les esprits.
Forte de cette prestation remarquée, Catherine présente avec un autre enfant star (Joël Flateau, interprète de Rémi dans Sans Famille, réalisé par André Michel) les programmes du Nouvel an 1961 et joue dans des publicités. En 1964, elle trouve son second rôle au cinéma dans Faites sauter la banque de Jean Girault.
Il s'agit d'une comédie portée par Louis de Funès dans la peau d'un propriétaire exploitant d'un magasin de chasse et de pêche ruiné qui décide de faire un casse avec sa famille... Elle y incarne Corinne Garnier, la fille cadette de ce dernier. En 1966, elle apparaît dans un épisode de la série Les Fables de La Fontaine.
Un an plus tard, Catherine Demongeot joue un petit rôle dans Mise à sac d'Alain Cavalier (ex-assistant de Louis Malle), un film de braquage avec Michel Constantin. Mais les propositions tendent à se faire plus rares... Les réalisateurs ne faisant plus appel à ses services, la native de Paris se consacre à sa scolarité.
Après l'obtention de son baccalauréat, elle s'inscrit à l'université en sciences sociales et y obtient le CAPES puis l'agrégation. Ainsi, elle entame une carrière de professeur d'économie au lycée.
Laurent Schenck