Закончила парижский лицей "Ла Фонтэн ". В первом браке её мужем был Дэвид Бейли, модный фотограф. Имеет двоих детей: Кристиана - от брака с кинорежиссёром Роже Вадимом, и Кьяру-Шарлотту - от актёра Марчелло Мастроянни. Получила признание, снявшись в фильмах "Отвращение" (1965), "Шербурские зонтики" (1964), "Дневная красавица" (1967), "Последнее метро" (1980), "Голод " (1983), "Индокитай " (1993) и др.
Неизвестно, что в первую очередь привлекает режиссёров в этой актрисе - то ли ее изумительная внешность, то ли ярко выраженные драматические способности. Она в полной мере обладает и тем и другим. Хотя в кино Катрин Денев впервые привели именно её внешние данные. Они и создали ей славу покорительницы мужских сердец. И сегодня Денев входит в число самых привлекательных звёзд мирового кинематографа наряду с Одри Хепберн и Ингрид Бергман.
Важным этапом в жизни Денев становится работа у режиссёров «новой волны». Причём и для них актриса стала находкой, поэтому предложения поступали одно за другим. В 1966 году она снимается в фильме режиссёра А.Варда «Создания», на следующий год режиссёр Ж.Деми предлагает Катрин роль в своем фильме «Девушки из Рошфора», он же будет снимать ее и в 1970 году в фильме «Ослиная шкура», в 1968 году режиссёр М.Девиль приглашает Катрин для съёмок в фильме «Бенжамен», в следующем же году с участием Денев вышел фильм режиссёра Ф.Трюффо «Сирена с Миссисипи».
Роли Денев становятся глубже, изысканнее, утончённее, они наполнены настоящим, а не мнимым драматизмом. Катрин Денев стала уже признанной звездой, и на нее обратили внимание режиссёры, которые считались классиками кино. В своем фильме «Отвращение» её снимает в 1965 году Роман Полански, главные роли в фильмах «Дневная красавица» (1966) и «Тристана» (1970) предлагает Катрин Денев и Луис Бунюэль, в 1971 году она снимается у Надина Трентиньяна — «Это случается только с другими» и у Марко Феррери в «Собаке».
Получив мировую известность, Катрин Денев много снимается в итальянском кино, в Голливуде, у себя на родине. С ней любит работать итальянский режиссёр Марко Феррери, который снимает её в нескольких фильмах, и среди них - «Сука» (1972) и «Не прикасайся к белой женщине» (1974). С участием Катрин Денев в 1983 году выходит фильм «Африканец», где её партнером был Филипп Нуаре. Запоминается её работа с Жераром Депардье в фильме «Последнее метро» (1980, режиссер Ф.Трюффо), удостоенном премии «Сезар». Ну и, конечно, «Индокитай», пылкая, романтическая история, потребовавшая от актрисы огромной глубины перевоплощения: ведь её героиня проживает на экране целую жизнь.
"Пола Х" Каракса стала сенсацией 1999 года, дав повод жёлтой прессе обсудить смелость 56-летней актрисы, снявшейся обнажённой. "Танцующая в темноте" Ларса фон Триера представлена на Каннском конкурсе 2000 г. В 1983 г. Денев смело приняла предложение британского дебютанта Тони Скотта и сыграла в его вампирском фильме "Голод" вместе с Дэвидом Боуи. Даже коммерческий проект Габриэля Агьона "Любимая теща" (1999) 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" (1999).
А за год до этого премию Венецианского кинофестиваля ей принесла лента Николь Гарсиа "Вандомская площадь". Кроме того, заметной вехой в карьере актрисы стало участие в работах старейшего португальского режисс`ра Маноэля Ди Оливейры ("Монастырь", 1995, и "Письмо", 1999) и экспериментирующего чилийца Рауля Руиса - "Генеалогия преступления" (1997) и "Обретённое время" (1999).