Катрин Фабьен Дорлеак родилась в Париже, в семье актеров — Мориса Дорлеака и Рене Симоно. В семье было четыре дочери, одна из которых, Даниэлла, от предыдущего брака матери.
Денев начала свою карьеру с небольшой роли в драме Андре Юнебеля “Гимназистки”. На тот момент актрисе исполнилось всего 13 лет. Ее младшая сестра Сильвия также приняла участие в съемках. В титрах было указано “Катрин Дорлеак”, но впоследствии она взяла сценичный псевдоним матери, так как ее старшая сестра, Франсуаза Дорлеак, уже была известна в киноиндустрии.
Хотя Катрин Денев снималась чуть ли не каждый год в период с конца 50ых и до 60ых годов, ее прорывом стал мюзикл Жака Деми “Шербурские зонтики”. Исполнение роли молодой влюбленной девушки подчеркнуло классическую красоту актрисы. Картина номинировалась на Оскар и Золотой глобус, а в итоге получила Золотую пальмовую ветвь Каннского кинофестиваля 1964 года. Следующий важный проект в карьере француженки показал другую сторону Денев. В триллере Романа Полански “Отвращение” Катрин изображает девственницу, чье неуравновешенное психическое состояние обостряется и превращает жертву в убийцу. Кроме номинации Британской академии, фильм стал обладателем наград Берлинского кинофестиваля 1965 года — Серебряного медведя и Приза международной ассоциации кинокритиков.
Следующей ступенькой в карьере Денев стала роль холодной домохозяйки, которая становится проституткой, в ленте Луиса Бунюэля “Дневная красавица”. В этот раз фильм был удостоен Золотого льва и Кубка Пазинетти на Венецианском кинофестивале 1967 года. Успех обеспечил актрисе возможности для выбора, которыми она тут же воспользовалась, играя в комедиях, адаптациях сказок и мрачных лентах.
Хотя Катрин Денев в основном играла и играет во французских картинах, она также появилась в нескольких американских. Среди них “Апрельские безумства” с Джеком Леммоном и культовый фильм о вампирах Тони Скотта “Голод” со Сьюзен Сарандон и Дэвидом Боуи.
На счету актрисы более ста картин, и даже старение не замедлило ее карьеру. После восхищения работой известного датского режиссера Ларса фон Триера в фильме “Рассекая волны”, она получила приглашение сняться в его драме “Танцующая в темноте” с Бьорк.
В 2001 году Катрин Денев можно было видеть в мюзикле Франсуа Озона “8 женщин”. С ней также снялись другие известные французские актрисы: Изабель Юппер, Эммануэль Беар, Фанни Ардан. Картина номинировалась на Сезар и получила награды от Берлинского кинофестиваля и Европейской киноакадемии. Денев озвучила маму главной героини в мультфильме Маржан Сатрапи и Венсана Паронно “Персиполис”. Сюжет развивается вокруг семьи из Ирака, которая переживает тяжелые времена, связанные с историей страны.
Катрин Денев номинировалась и становилась победителем многих известных фестивалей и наград. Среди них Оскар, Берлинский кинофестиваль, Каннский кинофестиваль, Сезар и многие другие.
В 2015 году вышел фильм Жако ван Дормеля “Новейший завет”, в котором у известной француженки одна из главных ролей.
Катрин Денев была замужем всего один раз. Фотограф Дэвид Бэйли и актриса пробыли в браке 7 лет. Она также имела отношения с режиссером и сценаристом Роже Вадимом (“И Бог создал женщину”, “Барбарелла”), итальянским актером Марчелло Мастроянни и магнатом Canal+ Пьером Лескюром. У Денев двое детей и пять внуков.