Enfant de la balle, Catherine Deneuve est née le 22 octobre 1943 à Paris. Fille d’une comédienne et d’un directeur de doublage à la Paramount, elle a deux soeurs, Sylvie et Françoise. C’est sous l'impulsion de sa sœur, Françoise Dorléac, que Catherine passe son premier casting pour un petit rôle. En 1957, elle fait sa première apparition dans le film Les Collégiennes.
Très vite, la jeune femme devient l'égérie des plus grands : Jacques Demy ou François Truffaut, tous se l'arrachent. En 1964, elle joue dans Les Parapluies de Cherbourg de Jacques Demy, qui rencontre un vif succès et remporte la Palme d’Or au Festival de Cannes. La jeune actrice enchaîne les rôles et varie les registres; Belle de jour, La vie de château, Le Sauvage, Peau d’Ane…Le 26 juin 1967, la vie de la famille bascule, Françoise Dorléac, avec qui Catherine connaît le succès dans Les demoiselles de Rochefort, meurt à l’âge de 25 ans, dans un accident de voiture.
La carrière de l’actrice prend un nouvel essor lorsqu’elle commence à être sollicitée par des cinéastes étrangers (Terence Young, Robert Aldrich, Dick Richards…). Catherine Deneuve tourne également pour les cinéastes italiens, comme Marco Ferreri. En 1980, l’actrice est consacrée grâce à son rôle dans Le dernier métro, réalisé par François Truffaut, qui lui vaut le César de la meilleure actrice en 1981. Elle devient l’une des actrices fétiches d’André Téchiné avec lequel elle tourne plusieurs films; Hôtel des Amériques, Ma saison préférée, Les Temps qui changent, L’homme qu’on aimait trop…
En 1993, elle remporte à nouveau le César de la meilleurs actrice pour son rôle dans Indochine de Régis Wargnier. L’actrice se confronte à des univers variés et collabore avec des réalisateurs aux univers singuliers, de Leos Carax à François Ozon en passant par Lars von Trier. En 1998, elle incarne une héroïne alcoolique et dépressive dans le film de Nicole Garcia, Place Vendôme, qui lui permet de remporter le Prix d’interprétation du Festival du film de Venise.
L’actrice ne cesse d’allonger sa filmographie, à l’affiche de nombreux succès; Potiche, Astérix et Obélix : Au service de sa majesté, Les Biens-aimés, La tête haute, Tout nous sépare…En juillet 2021, l’actrice fait son retour sur la Croisette, à l’affiche du film De son vivant réalisé par Emmanuelle Bercot, présenté au Festival de Cannes hors compétition.
Le 31 août 2022, Catherine Deneuve reçoit un Lion d'or d'honneur pour célébrer l'ensemble de sa carrière, lors du festival de Venise. En mai 2024, elle est à l'affiche du film Marcello mio, avec fille Chiara Mastroianni et Benjamin Biolay, réalisé par Coralie Fargeat. Le long-métrage faire revivre son ex-compagnon décédé, Marcello Mastroianni et en compétition officielle à la 77e édition du Festival de Cannes.
Côté vie privée, en 1962, à 19 ans, l’actrice quitte ses parents pour vivre avec Roger Vadim, de quinze ans son aîné. Le couple a un fils, Christian, né en juin 1963. Puis, en 1965, elle se marie avec le photographe britannique David Bailey. Mais l’union tourne court et le couple se sépare deux ans plus tard. Elle rencontre l’acteur italien Marcello Mastroianni. De cette relation naît, en mai 1972, une fille prénommée Chiara. Catherine Deneuve a partagé le vie de Bertrand de Labbey et de Pierre Lescure dans les années 80.
Le 11 juillet 2021, sa mère Renée Dorléac meurt à l’âge de 109 ans.