Катрин Денев родилась в 1943 году в Париже. Она выросла в актерской семье вместе с двумя сестрами. Старшая сестра Катрин — Франсуаза — завоевала популярность раньше. Чтобы не путать зрителей, девушки взяли разные фамилии: Франсуаза — псевдоним отца Дорлеак, а Катрин — девичью фамилию матери Денев.
Одним из главных фильмов Катрин Денев считается «Шербурские зонтики» Жака Деми на музыку Мишеля Леграна. Также она снималась в фильмах «Отвращение», «Дневная красавица», «Тристана», «Последнее метро», «Голод», «Танцующая в темноте», «8 женщин».
В 2019 году актриса снялась в фильме «После меня», который вышел в 2021 году. Во время съемок она перенесла инсульт, однако после выздоровления вернулась к работе.
В начале своей карьеры актриса познакомилась с восходящей звездой парижской моды Ив Сен-Лораном. Он сшил для нее несколько нарядов для мероприятий, а после она стала его музой. Денев также много лет была лицом аромата Chanel N°5.
Денев несколько раз была в России, причем не только в Москве и Санкт-Петербурге, но и во Владивостоке, Казани, Сочи, Ессентуках и Гатчине. В Ессентуках мастерицы сшили шубу для актрисы. Несмотря на то, что обычно она оставляла подарки поклонников в номерах, Денев увезла одежду с собой. В России она также ходила на базары, чтобы купить вязаные носки или варежки.
«Я много раз бывала в России, но до конца так и поняла вашу страну. Во время путешествий непременно хочу посмотреть, как живут люди, увидеть историческую часть города, памятники, архитектуру, отправляюсь в бар или кофейню, обязательно смотрю телевизор. Только так можно узнать чужую страну», – сказала Денев в интервью kp.ru.