Η Κατρίν Ντενέβ έγινε γνωστή στο ευρύ κοινό από την συμμετοχή της σε ταινίες παίζοντας την μυστηριώδη γυναίκα. Το 1985 διαδέχθηκε την Μιρέϊγ Ματιέ ως το επίσημο πρόσωπο της εταιρείας Marianne, το εθνικό σύμβολο της ελευθερίας της Γαλλίας. Δεκατέσσερις φορές υποψήφια για Βραβείο Σεζάρ, κέρδισε τα δυο για την ερμηνεία της στην ταινία Το Τελευταίο Μετρό (1980), για την οποία κέρδισε επίσης το βραβείο David di Donatello στην κατηγορία Καλύτερη Ξένη Ηθοποιός, και στην ταινία Ινδοκίνα (1992).
Η πρώτη της εμφάνιση στον κινηματογράφο έγινε το 1957 και ήρθε για πρώτη φορά στο προσκήνιο το 1964 με το μιούζικαλ του Ζακ Ντεμύ Οι Ομπρέλες του Χερβούργου, πριν γίνει πρωταγωνίστρια του Πολάνσκι στη ταινία Αποστροφή (1965), του Ντεμύ στις ταινίες Τα Νεαρά Κορίτσια του Ροσεφόρ (1967) και Δέρμα Γαϊδάρου (1970) και του Μπουνιουέλ στις ταινίες Η Ωραία της Ημέρας (1967) και Τριστάνα (1970).
Ήταν υποψήφια για βραβείο BAFTA Καλύτερης Ηθοποιού για την ταινία Belle de Jour και υποψήφια για Όσκαρ Α’ Γυναικείου Ρόλου για την ταινία Ινδοκίνα. Στο Φεστιβάλ Κινηματογράφου της Βενετίας το 1998 κέρδισε το Volpi Cup Α’ Γυναικείου Ρόλου για την ταινία Κάτω από τα Φώτα της Πλατείας. Άλλες σημαντικές ταινίες στην αγγλική γλώσσα περιλαμβάνουν τις The April Fools (1969), Hustle (1975), Αίμα και Πάθος (1983), Χορεύοντας στο Σκοτάδι (2000) και 8 Γυναίκες (2002). Το 2008 έκανε την εκατοστή της εμφάνιση στην ταινία Μια Νύχτα Χριστουγέννων.
Μια γυναίκα με την ομορφιά της Κατρίν Ντενέβ είναι λογικό να δεχτεί πολλές προτάσεις για εξώφυλλα. Η Ντενέβ εμφανίστηκε γυμνή σε δυο εξώφυλλα του περιοδικού Playboy το 1963 και το 1965. Χρησιμοποιήθηκε το πρόσωπό της στην φιγούρα της Marianne, το εθνικό σύμβολο της Γαλλίας, από το 1985 έως το 1989. Ως το πρόσωπο της Chanel No. 5 στα τέλη της δεκαετίας του 1970, προκάλεσε έναν μεγάλο αριθμό πωλήσεων του αρώματος στις ΗΠΑ – τόσο πολύ είχε ο αμερικανικός τύπος εντυπωσιαστεί από την ομορφιά της ώστε την έβαλε στην λίστα με τις πιο καλόγουστες γυναίκες στον κόσμο. Το 1983, η εταιρεία American Home Products την επέλεξε ως το κεντρικό πρόσωπο για την σειρά καλλυντικών της και προσέλαβε τον παγκοσμίου φήμης φωτογράφο Richard Avedon για να προωθήσει την σειρά καλλυντικώνYouth Garde, για την οποία η ίδια η Ντενέβ δήλωσε, “Κοιτάξτε πιο προσεκτικά. Του χρόνου θα είμαι 40 χρονών.”
Θεωρείται η μούσα του σχεδιαστή Υβ Σαιν-Λωρέν, ο οποίος την έντυσε στις ταινίες Belle de Jour, La Chamade, La sirène du Mississipi, Un flic, Liza και The Hunger. Το 1992 έγινε το μοντέλο για την σειρά καλλυντικών για το σώμα που κυκλοφόρησε ο Υβ Σαιν-Λωρέν την ίδια χρονιά. Το 2001 επιλέχθηκε ως το νέο πρόσωπο της L’Oréal Paris. Το 2006 αποτέλεσε την έμπνευση για την σειρά καλλυντικών της M•A•C Beauty και τον Φεβρουάριο του ίδιου χρόνου συνεργάστηκε με την εταιρεία για την χρωματική παλέτα της M•A•C που διατέθηκε στα καταστήματα ομορφιάς σε όλο τον κόσμο.
Το 2007 η Ντενέβ ξεκίνησε να εμφανίζεται στις διαφημίσεις για τις βαλίτσες της Louis Vuitton. Τον Μάρτιο του 2013 η εφημερίδα Guardian την έβαλε στην λίστα με τις 50 πιο καλοντυμένες γυναίκες άνω των 50. Τον Ιούλιο 2017 η Ντενέβ εμφανίστηκε σε μια εκστρατεία της Louis Vuitton με τίτλο Connected Journeys, γιορτάζοντας την κυκλοφορία του ρολογιού Tambour Horizon ; και άλλοι καλλιτέχνες συμμετείχαν επίσης, μεταξύ των οποίων οι Jennifer Connelly, Bae Doona, Jaden Smith και Miranda Kerr.
Η Ντενέβ μιλάει άπταιστα γαλλικά, αγγλικά και ιταλικά και μιλάει ελάχιστα ισπανικά. Οι αγαπημένες δραστηριότητές της περιλαμβάνουν την κηπουρική, την ζωγραφική, την φωτογραφία, το διάβασμα, την μουσική, τον κινηματογράφο, την μόδα και την διακόσμηση. Παντρεύτηκε μια φορά, με τον φωτογράφο David Bailey από το 1965 έως το 1972. Έχει υπάρξει ζευγάρι με τον σκηνοθέτη Roger Vadim, τον ηθοποιό Μαρτσέλο Μαστρογιάννι, τον κινηματογραφιστή Hugh Johnson, τον Ισπανό μοντέλο και σήμερα τηλεοπτικό παρουσιαστή Carlos Lozano αλλά και με τον επιχειρηματία του Canal+ Pierre Lescure.
Έχει δυο παιδιά : τον ηθοποιό Christian Vadim, από την σχέση της με τον Roger Vadim, και την ηθοποιό Κιάρα Μαστρογιάννι από την σχέση της με τον Μαρτσέλο Μαστρογιάννι. Έχει πέντε εγγόνια. Είναι στενή φίλη με τον καλλιτέχνη Nall και έχει αγοράσει μερικά από τα έργα του. Στις 6 Νοεμβρίου 2019 το BBC News ανέφερε ότι η Ντενέβ υπέστη ένα ελαφρύ εγκεφαλικό και ότι αναρρώνει σε ένα νοσοκομείο του Παρισιού. Παρά την ανησυχία των ιατρών, δεν υπήρξε κανένα πρόβλημα στις ζωτικές λειτουργίες της.