Катрин Дорлеак (Денёв) родилась 22 октября 1943 года в Париже. Ее бабушка, мать и отец были преданы театральному искусству. Отец, Морис Дорлеак, сначала был актером, потом возглавлял парижскую студию дубляжа американской компании «Парамаунт». В детстве Катрин участвовала в домашних спектаклях. Читала стихи на школьных вечерах.
В 1959 году она, по просьбе старшей сестры Франсуазы, уже имевшей некоторый актерский опыт, согласилась сняться в картине Ж.Р. Вилла «Котята». Дебют прошел успешно, и через несколько месяцев Катрин сыграла небольшую роль в фильме Ж. Пуатрено «Двери хлопают». Чтобы ее не путали с сестрой, она взяла для кино фамилию матери — Денёв.
В семнадцать лет Катрин познакомилась с 32-летним режиссером Роже Вадимом. Он пообещал ей роль в одной из своих картин. И в 1962 году снимает Катрин в роли Жюстины в ленте «Порок и добродетель» (1962) по мотивам произведения маркиза де Сада.
А 18 июля 1963 года у Катрин родился сын от Вадима. «Когда я приняла решение родить ребенка, я уже знала, что мы расстанемся с Вадимом, но это не имело никакого значения… — утверждала Денёв. — Мне важен был Вадим не как муж, а как отец будущего ребенка. После долгих раздумий я решилась. И могу сказать, что счастлива. Я мать, а мать никогда не бывает одинокой. Материнство приносит радость…»
Франсуаза Дорлеак познакомила сестру с режиссером Жаком Деми, который собирался снимать музыкальный фильм «Шербурские зонтики». Денёв получает в этой картине главную женскую роль.
Фильм «Шербурские зонтики» (1964) был показан на Международном кинофестивале в Канне и получил Золотую Пальмовую ветвь. В этой музыкальной мелодраме Катрин Денёв и Нино Кастельнуово говорили очень мало, но зато много пели, правда, не своими голосами. С экрана звучал романтический гимн любви композитора Мишеля Леграна. Фильм имел огромный успех во всем мире, а Денёв получила известность.
В картине Романа Поланского «Отвращение» (1965) Денёв играла болезненный женский характер. Ее героиня, Кэрол, фригидна и больна шизофренией. Она нравится мужчинам, они же внушают ей ужас и отвращение. В книге воспоминаний Поланский писал: «Когда я работал с Катрин Денёв, я чувствовал себя так, словно танцевал с великолепным партнером. Она точно знала, что я от нее жду на съемочной площадке, и сразу входила в образ, причем настолько органично, что, когда все было закончено, она и сама стала молчаливой и немного не в себе». На Берлинском фестивале фильм получил «Особый приз» жюри.
Однажды Поланский пригласил на съемку модного английского фотографа Дэвида Бейли. Через несколько месяцев все с удивлением узнали, что он женился на Катрин Денёв. Но этот брак был обречен с самого начала. Бейли жил в Лондоне, а Катрин разрывалась между английской столицей, Парижем, где у родителей жил сын Кристиан, и работой (она начала сниматься у Марселя Камю в роли слепой девушки Клары в картине «Песня мира», 1965). Через пять лет Денёв официально разведется с Бейли.
В 1966 году сестры Дорлеак блистательно сыграли в музыкальной комедии Жака Деми и композитора Мишеля Леграна «Девушки из Рошфора». Это была их последняя совместная работа. 26 июня 1967 года Франсуаза Дорлеак сгорела в автомобильной катастрофе. Денёв в это время снималась у Девиля в костюмной мелодраме «Бенжамен, или Дневник девственника». Для нее смерть сестры явилась тяжелейшим ударом. Тем не менее сразу после похорон она продолжила съемки — не хотела подводить людей.
