Родилась 22 октября 1943 года в Париже, Франция, в семье актеров. Настоящее имя - Катрин Дорлеак. В кино дебютировала, не получив специального образования.
Первой ее картиной был фильм Ученицы коллежа, потом вместе с сестрой Симоной Дорлеак снялась в Котятах (1958), а с другой сестрой Франсуазой - в Сегодня вечером или никогда (1960).
Но подлинный ее дебют состоялся в 1963 в фильме ее тогдашнего спутника Роже Вадима Порок и добродетель. Больше у него она не снималась, от Вадима у Денев родился сын Кристиан, тоже ставший актером.
Самое большое влияние на нее оказал Жак Деми, который снял Денев в лучших ролях того периода: Шербурские зонтики, Девушки из Рошфора.
В дальнейшем она была занята у него еще в Ослиной шкуре и в фильме Самое значительное событие с тех пор, как человек ступил на Луну.
Ее несомненный драматический талант сумел раскрыть Роман Полански, сняв ее в Отвращении в роли женщины, которая ненавидит мужчин и становится убийцей. А Жан-Поль Рапно помог ей раскрыть свой комедийный талант в фильме Жизнь в замке.
Не меньшее значение имела для Денев работа в фильме Сирена с «Миссисипи» (реж. Франсуа Трюффо), с которым у нее возник недолгий, но очень бурный роман.
Затем Катрин решила попытать свои силы в Голливуде. Приехав туда в 1969 году, она в течении шести лет снялась в дюжине фильмов. Так и не создав в Америке ничего выдающегося, она вернулась во Францию. Уже тогда она осознала, что ее призвание связано с национальным кино.
И сразу же Трюффо предложил ей роль директрисы театра во время оккупации в фильме Последнее метро. Ну и конечно, очень важной в ее карьере стала работа с Луисом Бунюэлем в фильмах Дневная красавица и Тристана.
Катрин Денев несомненно тяготеет к близким ей по духу режиссерам, и тогда она уже не расстается с ними. Так случилось с ней и в последние годы, когда она встретила Андре Тешине, который снял ее сначала в психологической драме Отель «Америк», потом в фильмах Место преступления, Мое любимое время года и в 1996 - в картине Воры. В последних двух ее партнером был Даниэль Аутель.
Новый взлет в ее карьере произошел после Индокитая, за роль в котором она номинировалась на Оскар.
Денев, храня имидж ледяной буржуазной красавицы, остается актуальной актрисой в течение многих десятилетий и не боится сниматься в проектах радикальных режиссеров. Когда-то ими были Луис Бунюэль и Марко Феррери. В 90-е гг. - это Лео Каракс или Ларс фон Триер. Пола Х Каракса стала сенсацией 1999 г., дав повод желтой прессе обсудить смелость 56-летней актрисы, снявшейся обнаженной. Даже коммерческий проект Любимая теща (реж. Габриэль Агьон) отличается от прочего мейнстрима - романтическая линия в нем соседствует со здоровым цинизмом в изображении взаимоотношений полов, а царственная Денев курит коноплю с парижским тинейджером и устраивает экстатический dance performance в мужском сортире.
Очень точную роль царственной актрисы, выступающей по отношению к героям-страдальцам почти Господом Богом, Денев сыграла у давнего друга Режиса Варнье в российско-французской копродукции Восток - Запад.
А за год до этого премию Венецианского кинофестиваля ей принесла лента Вандомская площадь.
Кроме того, заметной вехой в карьере актрисы стало участие в работах старейшего португальского режиссера Маноэля Ди Оливейры (Монастырь и Письмо) и экспериментирующего чилийца Рауля Руиса (Генеалогия преступления и Обретенное время).
В 1998 году на МКФ в Берлине получила «Золотого Медведя» за достижения в творческой карьере. Характеры героинь Катрин Денев становятся с годами все более сложными и загадочными - в полном соответствии со всей ее жизнью, которую она не любит выставлять напоказ. Большое место в ней теперь занимает ее дочь от Марчелло Мастроянни Кьяра, которая делает первые шаги в кино.