El primer director con el que trabajó fue Roger Vadim en El vicio y la virtud, aunque su primer gran éxito vino con la película de 1963 Los paraguas de Cherburgo.
Ha trabajado con Manoel de Oliveira, Roman Polanski, Mario Camus, Luis Buñuel, Hugo Santiago y François Truffaut entre otros.Catherine Deneuve es embajadora de buena voluntad de la Unesco. Tiene 2 hijos: Christian Vadim (nacido en 1963) con el director Roger Vadim, y Chiara Mastroianni (nacida en 1972) de la relación que la actriz mantuvo con Marcello Mastroianni durante 4 años. Catherine Deneuve sólo se ha casado una vez, con el fotógrafo británico David Bailey, matrimonio que fue de 1965 a 1972.
Era hermana de la también actriz Françoise Dorléac, tristemente fallecida en un accidente de coche en el año 1967. Ella fue la que puso en contacto a Catherine Deneuve con cineastas como Polanski y Buñuel. Trabajaron juntas en "Las señoritas de Rochefort", la última película de Françoise.Su imagen ha sido usada para representar a Marianne, el símbolo nacional de la república francesa, desde 1985 a 1989.Catherine Deneuve en 1997 fue protagonista del video de la canción N'oubliez jamais de Joe Cocker.
