Η Κατρίν Ντενέβ είναι μια από τις κορυφαίες ηθοποιούς που αναδείχθηκαν στο δεύτερο μισό του περασμένου αιώνα. Πρωταγωνίστησε σε σημαντικές ταινίες και συνεργάστηκε με σημαντικούς δημιουργούς του παγκόσμιου κινηματογράφου, όπως ο Λουίς Μπουνιουέλ, ο Ρομάν Πολάνσκι, ο Φρανσουά Τριφό και ο Μανοέλ Ντε Ολιβέιρα. Η αρχετυπική γαλατική ομορφιά της την ανέδειξε το 1985 στο επίσημο πρόσωπο της Γαλλικής Δημοκρατίας, την γνωστή «Μαριάννα» («Marianne»).
Η Κατρίν Φαμπιέν Ντορλεάκ, όπως είναι το πραγματικό της όνομα, γεννήθηκε στις 22 Οκτωβρίου 1943 στο Παρίσι και ήταν η τρίτη από τις τέσσερις κόρες των ηθοποιών Μορίς Ντορλεάκ και Ρενέ Ντενέβ.
Η καριέρα της Κατρίν Ντενέβ στον κινηματογράφο (κράτησε το πατρικό της μητέρας για να διαφοροποιηθεί από τις δύο αδελφές της που ήταν επίσης ηθοποιοί) ξεκίνησε αρκετά νωρίς, στα 14 της, και το 1960 έπαιξε τον πρώτο σημαντικό της ρόλο στην ταινία του Ροζέ Βαντίμ «Το κακό και η αρετή» («Le vice et la vertu»).
Αλλά η ταινία η οποία αποτέλεσε την αφετηρία μιας λαμπρής καριέρας ήταν οι «Οι ομπρέλες του Χερβούργου» («Les parapluies de Cherbourg», 1963), ένα ιδιότυπο μιούζικαλ που σκηνοθέτησε ο Ζακ Ντεμί, ένας από τους πρωτεργάτες της γαλλικής «νουβέλ-βαγκ». Η Ντενέβ υποδύεται μια 16χρονη κοπέλα που δέχεται να παντρευτεί έναν αδαμαντοπώλη για να αποκτήσει όνομα το παιδί που έχει αποκτήσει με τον εραστή της, η τύχη του οποίου αγνοείται στην Αλγερία.
Τα επόμενα χρόνια έγινε περιζήτητη από σπουδαίους σκηνοθέτες. Συνεργάστηκε με τον Ρομάν Πολάνσκι στην κλασική ταινία τρόμου «Αποστροφή» («Repulsion», 1965] και τον Λουίς Μπουνιουέλ. Στην «Η Ωραία της Ημέρας» («La Belle de Jour», 1967), που σημάδεψε την καριέρα της, υποδύεται την όμορφη, αλλά ερωτικά ψυχρή σύζυγο ενός επιτυχημένου γιατρού, που βρίσκει την σεξουαλική ικανοποίηση μόνον όταν παραδίδεται στις αγκαλιές αγνώστων ανδρών σε ένα παρισινό πορνείο. Η ταινία που βασίζεται στο ομότιτλο μυθιστόρημα του Ζοζέφ Κεσέλ, απέσπασε τον Χρυσό Φοίνικα στο Φεστιβάλ της Βενετίας και καθιέρωσε την Κατρίν Ντενέβ ως την μεγαλύτερη σταρ του γαλλικού κινηματογράφου. Με τον γαλλοϊσπανό σκηνοθέτη συνεργάστηκε και στην ταινία «Τριστάνα» («Tristana», 1970), στον ρόλο μιας νεαρής ορφανής που αντιδρά στις ερωτικές διαθέσεις του γηραιού κηδεμόνα της και κερδίζει την ελευθερία της.
Την ίδια περίοδο εμφανίστηκε σποραδικά και σε αμερικανικές παραγωγές με πιο αξιομνημόνευτες την ρομαντική κωμωδία του Στιούαρτ Ρόζενμπεργκ «Τρέλλες τ’ Απρίλη» ( «The April Fools», 1969), δίπλα στον Τζακ Λέμον και το νεο-νουάρ του Ρόμπερτ Όλντριτς «Ο αστυνόμος και το κολ-γκερλ» («Hustle», 1975), με συμπρωταγωνιστή τον Μπαρτ Ρέινολντς.
Παρά την διεθνή της εμβέλεια και τις πολλές προτάσεις από το εξωτερικό, η Ντενέβ συνέχισε να εμπιστεύεται τους συμπατριώτες της σκηνοθέτες. Συνεργάστηκε με τον Φρανσουά Τριφό στην «Σειρήνα του Μισισσιπή» ( «La Sirène du Mississippi», 1969) και «Το τελευταίο Μετρό» ( «Le Dernier Métro»,) 1980), με τον Ζαν-Πιέρ Μελβίλ στην αστυνομική ταινία «Ο Μπάτσος» («Un Flic», 1971) και τον Κλοντ Μπερί στη ρομαντική κωμωδία «Je vous aime» (1980). Στην ταινία του Μπερί ερμηνεύει με τον Σερζ Γκενζμπούρ το τραγούδι του «Dieu est un fumeur de havanes».
Την τελευταία δεκαετία του περασμένου αιώνα διακρίθηκε για τις ερμηνείες στο δράμα εποχής του Ρεζίς Βαρνιέ «Ινδοκίνα» («Indochine», 1992) και στην ταινία μυστηρίου του διακεκριμένου Πορτογάλου Μανοέλ ντε Ολιβέιρα «Το Μοναστήρι του Πάθους» («O convento», 1995). Η Ντενέβ εκτιμούσε ιδιαίτερα το έργο του εικονοκλάστη Δανού σκηνοθέτη Λαρς φον Τρίερ και της δόθηκε η ευκαιρία να παίξει στην ταινία του «Χορεύοντας στο Σκοτάδι» («Dancer in The Dark», 2000), δίπλα στην Μπγιόρκ.
To 2002 ξεχώρισε με την ερμηνεία της στην ταινία μυστηρίου του Φρανσουά Οζόν «8 Γυναίκες» («8 Femmes») (2002), στην οποία πρωταγωνιστούσαν όλαν τα λαμπρά γυναικεία ονόματα του γαλλικού κινηματογράφου. Ξανασυνάντησε τον Οζόν το 2010 στην κωμωδία «Potiche».
Εκτός από το έργο της η Κατρίν Ντενέβ προσέλκυσε το ενδιαφέρον των ΜΜΕ και για τους έρωτές της. Παντρεύτηκε μια φορά, τον φωτογράφο μόδας Ντέιβιντ Μπέιλι (1965-1972), ενώ από τις σχέσεις της με τον σκηνοθέτη Ροζέ Βαντίμ και τον Ιταλό ηθοποιό Μαρτσέλο Μαστροϊάνι απέκτησε δύο παιδιά - τον Κριστιάν Βαντίμ και την Κιάρα Μαστροϊάνι- τα οποία ακολούθησαν την καλλιτεχνική της διαδρομή. Με την κόρη της έπαιξε μεταξύ άλλων στις ταινίες «Το Παιχνίδι της Αγάπης» («Les Bien-Aimés», 2011) και «Τρεις Καρδιές» («3 Coeurs» ,2014). Μαζί με την αδελφή της Φρανσουάζ Ντορλεάκ - μια πολλά υποσχόμενη ηθοποιό που έχασε την ζωή της σε τροχαίο στα 25 της χρόνια - εμφανίστηκε στην ταινία του Ζακ Ντεμί «Τα κορίτσια του Ροσφόρ» («Les Demoiselles de Rochefort», 1967).
Η Κατρίν Ντενέβ παραμένει ενεργή κινηματογραφικά και το 2017 έπαιξε σε δύο ταινίες, στην δραμεντί «Μικρά Βήματα» («Sage Femme») και την κομεντί «Bonne Pomme», με συμπρωταγωνιστή για δέκατη φορά τον Ζεράρ Ντεπαρντιέ. Το 2018 τιμήθηκε με το κορυφαίο ιαπωνικό βραβείο «Praemium Imperiale» για την συνεισφορά της στην έβδομη τέχνη.