Катрин Деньов е родена на 22 октомври 1943 г. в Париж в актьорско семейство и е сестра на Франсоаз Дорлеак. Тя започва да снима още като тийнейджър, но истинският ѝ пробив идва с музикалния филм „Шербургските чадъри“ на Жак Деми. В него тя играе Женевиев – млада продавачка, чиято любов е разделена от войната и обстоятелствата, а всички реплики са изпети, с музика на Мишел Льогран. Ролята показва, че зад ефектната външност стои актриса с необичайна чувствителност.

Само година по-късно Роман Полански я избира за „Отблъскване“, където тя играе млада жена, губеща връзка с реалността в празен лондонски апартамент. Филмът затвърждава екранния ѝ образ на хладна, загадъчна и едновременно уязвима героиня. Луис Бунюел използва същата привидна невъзмутимост в „Дневна красавица“ от 1967 г., където Деньов е Северин – заможна омъжена жена, тайно работеща в публичен дом. Филмът печели „Златния лъв“ във Венеция, а актрисата по-късно казва, че предпочита да бъде свързвана с „Дневна красавица“, отколкото с много други неща.

Сред важните ѝ роли са още Тристана в едноименния филм на Бунюел, Марийон във „Последното метро“ на Франсоа Трюфо и Елина в „Индокитай“, за която получава номинация за „Оскар“ през 1993 г. В „Гладът“ на Тони Скот от 1983 г. тя влиза в ролята на вампирка, а партньорството ѝ с Дейвид Боуи превръща филма в култова смесица от хорър, мода и музика.

Личният живот на Катрин Деньов често е представян като продължение на филмовата ѝ митология. Най-добре документирани са връзките ѝ с режисьора Роже Вадим, фотографа Дейвид Бейли и актьора Марчело Мастрояни. С Вадим тя има син Кристиан, роден през 1963 г.; той я насърчава в първите години на кариерата ѝ и я снима във филма „Порокът и добродетелта“. През 1965 г. Деньов се омъжва за Дейвид Бейли, а бракът продължава до 1972 г., макар двамата да се разделят няколко години по-рано. Фотографът остава важна фигура в живота ѝ и я свързва с артистичната атмосфера на Лондон и Париж през 60-те години.

Най-известната ѝ връзка след това е с Марчело Мастрояни. Двамата имат дъщеря – актрисата Киара Мастрояни, а заедно застават пред камерата в „Това се случва само на другите“. Историята им се развива в период, когато Деньов вече е утвърдена звезда, а Мастрояни е един от най-популярните актьори на европейското кино. Днес Катрин Деньов остава свързана не само с тези любовни истории, а и с ролите, които променят начина, по който киното показва женската независимост, желанието и възрастта. От Женевиев до Северин и Марийон тя рядко играе просто красиви жени; по-често играе героини, които крият цял втори живот зад безупречно спокойствие.