Fille du peintre André Girard, Danièle Delorme aspire à une carrière de concertiste et entreprend des études de piano, mais la guerre et l'occupation allemande les interrompent. Elle se réfugie à Cannes, où elle suit des cours d'art dramatique sous la direction de Jean Wall. En 1942, elle commence à monter sur les planches avec la compagnie Claude Dauphin et joue dans de petits films. Après la Libération, elle perfectionne ses talents de comédienne avec René Simon et Tania Balachova.

En 1947, elle apparaît dans Les jeux sont faits de Jean Delannoy, et joue dans plusieurs pièces de théâtre de Jacques Deval et de J.B. Priestley. Mais c'est grâce à son rôle de Minne dans Minne l'ingenue libertine (1949) de Jacqueline Audry (qu'elle retrouvera plus tard sur les tournages de Huis clos et de Mitsou) qu'elle acquiert soudainement une renommée publique.

Elle tourne alors La Cage aux filles (1949), Miquette et sa mere (1949) sous la direction de Henri-Georges Clouzot, Sans laisser d'adresse (1949), Les Dents longues sous la direction de son mari Daniel Gélin, Si Versailles m'était conté... (1953) de Sacha Guitry avec Jean Marais et Brigitte Bardot, Huis clos (1954) aux côtés d'Arletty, Le Dossier noir (1955), Mitsou (1956), et campe Fantine dans Les Miserables (1957) de Jean-Paul Le Chanois.

Tous ces rôles la rendent populaire et reconnue, mais ne sont pas très diversifiés. Elle craint de s'enfermer dans l'image de la blonde ingénue et, pour fuir ce risque, se tourne à nouveau vers le théâtre, où elle enchaîne de nombreux projets. Elle continue par ailleurs à tourner pour le cinéma, mais sa vie à ce moment donné est plus tournée vers les planches.

En 1956, elle divorce de Daniel Gélin et se remarie avec Yves Robert avec qui elle fonde la maison de production La Guéville, dont le premier succès n'est autre que La Guerre des boutons (1961). L'autre côté de la caméra lui manque et elle s'illustre à nouveau dans quelques films comme Ni vu ni connu d'Yves Robert avec Louis De Funès, mais partagée entre le théâtre, son métier d'actrice et celui de productrice, elle ne réapparaît qu'épisodiquement à l'écran, en 1970 dans Le Voyou de Claude Lelouch, en 1972 dans Absences répétées, en 1973 dans Belle, et dans Nous irons tous au paradis (1977), encore sous la direction de son mari Yves Robert, avec qui elle restera mariée jusqu'à la mort de celui-ci en 2002.

A partir de 1978, Danièle Delorme se consacre presque entièrement à sa carrière de productrice, en hésitant pas à parier sur des projets risqués et courageux. Elle produit notamment trois films de Jacques Doillon : La Femme qui pleure et La Drôlesse en 1978, et La Fille prodigue en 1980, et deux d'Alain Cavalier : Martin et Léa en 1978 et Un étrange voyage en 1980. Elle apparaît également en tant que productrice associée aux génériques des films Himalaya, l'enfance d'un chef (1999) et U.V. (2002).