Ее настоящее имя Катрин Фабьен Дорлеак, а Денёв – фамилия ее бабушки, которую она взяла, чтобы отличаться от соей старшей сестры Франсуазы Дорлеак, которая к тому времени была уже очень известной французской актрисой. Вообще Катрин Денёв из очень известной театральной семьи – ее родители Морис Дорлеак и Рене Жанна Симоно – знаменитые во Франции театральные актеры. У Катрин есть две родные сестры – Сильвия и Франсуаза, еще сводная Даниэль от первого брака ее матери. Все девочки в будущем стали известными актрисами, но легендарной только Катрин.
Интересно, что в детстве у Катрин была боязнь сцены (пейрафобия), но тем не менее она сумела ее преодолеть.
Дебют Катрин Денёв в кино состоялся, когда ей исполнилось 14-ть в картине «Гимназистки». А в 17-ть она снялась у Роже Вадима, в «Грехе и добродетели», влюбилась в него и сбежала из дому. От него у актрисы есть сын Кристиан. После его рождения Вадим сделал ей предложение, но к тому времени юная красавица охладела к нему и отказала.
Вообще личная жизнь актрисы весьма насыщенна. После романа с Роже она вышла замуж за английского фотографа Дэвида Бейли, впрочем через год они расстались, хотя официальный развод последовал еще через шесть лет. Это был единственный официальный брак Катрин Денёв. Длительные отношения связывали ее с Марчелло Мастрояни, от которого у нее дочь Кьяра. Затем у нее были многолетние романы с такими известными людьми, как Франсуа Трюффо (легендарный режиссер), Жерар Депардье (легендарный актер), Пьер Лескуре (очень богатый владелец телеканала «Canal+»). Однако более ни с кем связывать себя официальными узами актриса не пожелала. Она живет в очень фешенебельном парижском районе, а мужчин выбирает по своему усмотрению. Ее дети оба стали актерами, а маму сделали шестикратной бабушкой, чему Катрин очень рада.