Deneuve bắt đầu sự nghiệp điện ảnh lúc 13 tuổi, trong một vai nhỏ ở phim Les Collégiennes (1956), do Roger Vadim đạo diễn. Vai diễn đột phá của bà là trong phim Les Parapluies de Cherbourg của Jacques Demy. Sự đột ngột trở thành ngôi sao của bà dẫn tới các vai diễn sáng chói trong các phim Repulsion (1965) của Roman Polanski và Belle de Jour (1967) của Luis Buñuel. Chính trong các phim này, lần đầu tiên bà đã thể hiện các vai thiếu nữ nguyên mẫu của mình.[2][3] Năm 1967, bà xuất hiện trong phim ca nhạc Les Demoiselles de Rochefort của Jacques Demy, cùng với chị gái, Françoise Dorléac.

Deneuve hoạt động tích cực trong các phim châu Âu trong thập niên 1960 và 1970, và hạn chế xuất hiện trong các phim Mỹ The April Fools (1969) và Hustle (1975). Các vai chính của bà trong thời gian này trong các phim như Tristana (1970, lại với Buñuel) và A Slightly Pregnant Man (1973, đối đầu Marcello Mastrioanni). Trong thập niên 1980, các phim của Deneuve gồm có Le Dernier métro (1980) của François Truffaut', (trong đó bà đoạt một giải César cho nữ diễn viên chính xuất sắc nhất) và The Hunger (1983) của Tony Scott (trong vai ma cà rồng ái nam con gái, cùng đóng vai chính với David Bowie và Susan Sarandon, một vai mang lại cho bà một nhóm người nữ đồng tính luyến ái và người thô lỗ ủng hộ đáng kể).[4]

Đầu thập niên 1990, Deneuve thu được nhiều sự ca ngợi quốc tế cho các diễn xuất trong nhiều phim, trong đó có phim Indochine (Đông Dương) (1992) (phim này bà đoạt thêm một Giải César cho nữ diễn viên chính xuất sắc nhất và được đề cử cho Giải Oscar cho nữ diễn viên chính xuất sắc nhất); và 2 phim của André Téchiné: Ma saison préférée (1993) và Les Voleurs (1995). Năm 1994 bà là phó chủ tịch Ban giám khảo Liên hoan phim Cannes.[5] Năm 1996, Deneuve đã bày tỏ lòng kính trọng đạo diễn đã đưa nàng lên cương vị ngôi sao bằng việc xuất hiện trong phim tài liệu L'Univers de Jacques Demy. Năm 1998, bà lại được hoan nghênh và đoạt Cúp Volpi tại Liên hoan phim Venezia cho diễn xuất trong phim Place Vendôme. Cuối thập niên 1990 Deneuve tiếp tục làm việc đều đặn, và năm 1999 xuất hiện trong 5 phim: Est-Ouest, Le temps retrouvé, Pola X, Belle-maman và Le vent de la nuit.

Năm 2000, Deneuve diễn xuất trong phim Dancer in the Dark (2000) của Lars von Trier song song với nữ ca sĩ người Iceland Björk. Phim này là đề tài cho việc xem xét bình luận đáng kể và đã được bầu chọn đoạt Giải Cành cọ vàng tại Liên hoan phim Cannes. Năm 2002, bà cùng đoạt chung Giải Gấu bạc cho Toàn bộ các diễn viên xuất sắc của phim "8 Women" tại Liên hoan phim quốc tế Berlin. Năm 2005, Deneuve xuất bản quyển nhật ký A l'ombre de moi-meme ("Trong bóng của chính tôi", xuất bản bằng tiếng Anh dưới nhan đề Close Up and Personal: The Private Diaries of Catherine Deneuve); trong đó bà viết về các kinh nghiệm của mình khi đóng các phim Indochine và Dancer in the Dark. Năm 2006, Deneuve đứng đầu Ban giám khảo Liên hoan phim Venezia. Deneuve vẫn tiếp tục làm việc đều đặn, mỗi năm đóng ít nhất 2 hoặc 3 phim.