Cas à part du cinéma mondial, Catherine Deneuve n'a jamais quitté le haut de l'affiche en plus de cinquante ans de carrière, échappant au cliché de la jolie blonde glacée pour se glisser avec délices dans les univers contrastés des plus grands cinéastes (Truffaut, Polanski, Bunuel, Oliveira, Demy, Ferreri, Mocky, Garrel, Ozon, Téchiné...), se constituant ainsi un parcours auss unique qu'impressionnant. Catherine Deneuve débute dans Les Petits Chats (1959) de Jacques Villa. Elle s'exerce ensuite dans quelques comédies jusqu'à sa rencontre avec Roger Vadim qui la révèle sous un autre jour. Dans Le Vice et la vertu (1962), le réalisateur détourne la sage beauté blonde de Deneuve. En 1964, Jacques Demy lui offre une notoriété mondiale avec Les Parapluies de Cherbourg : cette comédie chantée recueille un succès international et une palme d'or au Festival de Cannes, et la carrière de l'actrice décolle. Catherine Deneuve enchaîne plusieurs comédies (Les Plus Belles Escroqueries du monde, 1963, de Claude Chabrol ; La Chasse à l'homme, 1964, d'Edouard Molinaro ; La Vie de château, 1965, de Jean-Paul Rappeneau). Elle retrouve Jacques Demy qui la fait jouer, chanter et danser au côté de sa soeur Françoise Dorléac dans Les Demoiselles de Rochefort (1967) : il y aura deux autres rencontres entre Demy et Deneuve, le conte Peau d'Âne (1970) et la comédie L'Evénement le plus important depuis que l'homme a marché sur la lune (1972), où elle donne la réplique à son compagnon de l'époque, Marcello Mastroianni, qui incarne le premier homme enceint.
Dans des films étrangers, elle bouscule son image de beauté impassible et mélancolique et surprend dans des rôles subtils et complexes où on ne l'attend pas. Roman Polanski lui confie ainsi le rôle d'une manucure schizophrène dans Répulsion (1964). Luis Buñuel lui offre bientôt l'un de ses plus beaux rôles : elle incarne magnifiquement Séverine, une bourgeoise attirée par la débauche et la prostitution dans Belle de Jour (1967). Le même réalisateur la dirige dans la troublante Tristana (1970), où elle apparaît handicapée. Elle tient aussi le rôle principal, celui de Marie Vetsera, amoureuse de l'archiduc Rodolphe d'Autriche, dans la superproduction internationale Mayerling (1968), de Terence Young, avec Omar Sharif, James Mason et Ava Gardner. A ce succès populaire succèdent plusieurs échecs, notamment La Sirène du Mississipi (1969), première rencontre avec François Truffaut qui en fait une femme fatale manipulatrice face à un Jean-Paul Belmondo faible et amoureux.
Femme brisée par la mort de sa petite fille dans Ça n'arrive qu'aux autres, (1971), de Nadine Trintignant, elle y forme un couple avec Marcello Mastroianni qu'on retrouve dans Liza, fable cruelle de Marco Ferreri où elle devient le chien de l'homme dont elle est amoureuse. Aussi à l'aise dans cinéma d'auteur exigeant que dans une comédie populaire comme Le Sauvage (Jean-Paul Rappeneau, 1975), dans l'univers de Claude Lelouch (Si c'était à refaire, 1976 ; A nous deux, 1979) ou chez Yves Robert (Courage, fuyons, 1979), Catherine Deneuve confirme aussi son statut de star internationale. Elle tourne tant en Italie (La Grande Bourgeoise, Mauro Bolognini, 1974 ; Âmes perdues, Dino Risi, 1976 ; Pourvu que ce soit une fille, Mario Monicelli, 1985) qu'à Hollywood (
François Truffaut lui apporte son premier César avec Le Dernier Métro (1980) où elle joue une directrice de théâtre durant l'Occupation, au côté de Gérard Depardieu. André Téchiné l'engage pour Hôtel des Amériques (1981), entamant ainsi une collaboration privilégiée et féconde qui compte six films où, entre Le Lieu du crime (1986), Ma saison préférée (1993) ou Les Voleurs (1996), elle fait preuve d'une liberté de jeu stupéfiante. En parallèle, elle travaille pour les plus solides artisans du cinéma français (Alain Corneau, Claude Berri, Philippe de Broca, Francis Girod...), s'amuse à jouer avec son image chez Jean-Pierre Mocky (Agent trouble, 1987) et fait confiance à de jeunes cinéastes comme François Dupeyron pour Drôle d'endroit pour une rencontre (1987) ou Régis Wargnier. Dans Indochine (1992), celui-ci en fait l'inflexible patronne d'une plantation d'hévéas et filme la maturité d'une femme que ses cinquante ans n'ont pas déflorée. Le rôle de cette amoureuse passionnée lui vaut un second César et une nomination aux Oscars.
Dirigée par les plus grands, Deneuve aiguise son talent dans plus de soixante-dix films et ne se lasse pas de provoquer les rencontres, que ce soit avec le maître portugais Manoel de Oliveira (Le Couvent, 1995 ; Je rentre à la maison, 2001) ; Un film parlé, 2003) ou avec des auteurs aussi singuliers que Leos Carax (Pola X, 1999) ou Philippe Garrel (Le Vent de la nuit, 1999). Admirative de son travail, elle écrit au Daois Lars von Trier pour lui proposer de travailler avec lui. C'est chose faite en 2000, où au côté de la chanteuse islandaise Björk, Catherine Deneuve est lumineuse en ouvrière d'usine dans Dancer in the Dark de Lars von Trier, film qui obtient la palme d'or au festival de Cannes.
A l'abord du troisième millénaire, Catherine Deneuve reste une actrice très convoitée par des réalisateurs d'horizons très divers, jouant une héroïne proustienne dans Le Temps retrouvé (1999) de Raoul Ruiz (elle incarne Odette de Crécy), fascinant les autres stars des Huit femmes (2001) de François Ozon, régnant sur la famille de Un conte de Noël (2007) d'Ar
Catherine Deneuve enregistre plusieurs disques. Elle a notamment chanté Dieu est un fumeur de havanes, de et avec Serge Gainsbourg, Paris, Paris et N'oubliez jamais avec Joe Cocker.
Si elle n'a jamais fait de théâtre, elle est apparue dans quelques téléfilms, incarnant Mme de Merteuil dans Les Liaisons dangereuses (2003) de Josée Dayan, ou la pionnière de la psychanalyse Marie Bonaparte dans Princesse Marie (2003) de Benoît Jacquot. Elle apparaît aussi dans un épisode de la série américaine Nip/Tuck (2006).
Courts métrages 1961 | Ca c'est la vie | Claude Choublier |
| 1964 | 4 X D | Philippe Labro |
| 1970 | Henri Langlois | Roberto Guerra, Eila Hershon |
| 1995 | Inconnu (L') | Ismaël Ferroukhi |
Longs métrages| 1959 | Petits chats (Les) | Jacques Villa |
| 1960 | Homme à femmes (L') | Jacques-Gérard Cornu |
| 1960 | Portes claquent (Les) | Michel Fermaud, Jacques Poitrenaud |
| 1961 | Parisiennes : Sophie (Les) | Marc Allégret |
| 1962 | Et Satan conduit le bal | Grisha Dabat |
| 1962 | Vacances portugaises | Pierre Kast |
| 1962 | Vice et la vertu (Le) | Roger Vadim |
| 1963 | Parapluies de Cherbourg (Les) | Jacques Demy |
| 1963 | Plus belles escroqueries du monde : L'homme qui vendit la tour Eiffel (Les) | Claude Chabrol |
| 1964 | Chasse à l'homme (La) | Edouard Molinaro |
| 1964 | Costanza della ragione (La) Avec amour et avec rage | Pasquale Festa Campanile |
| 1964 | Liebeskarussell : Angela (Das) Belles d'un soir : Angela | Rolf Thiele |
| 1964 | Repulsion Répulsion | Roman Polanski |
| 1964 | Un monsieur de compagnie | Philippe de Broca |
| 1965 | Chant du monde (Le) | Marcel Camus |
| 1965 | Créatures (Les) | Agnès Varda |
| 1965 | Vie de château (La) | Jean-Paul Rappeneau |
| 1966 | Belle de jour | Luis Bunuel |
| 1966 | Demoiselles de Rochefort (Les) | Jacques Demy |
| 1967 | Benjamin ou Les Mémoires d'un puceau | Michel Deville |
| 1967 | Manon 70 | Jean Aurel |
| 1967 | Mayerling | Terence Young |
| 1968 | April Fools (The) Folies d'avril | Stuart Rosenberg |
| 1968 | Chamade (La) | Alain Cavalier |
| 1968 | Sirène du Mississipi (La) | François Truffaut |
| 1969 | Tout peut arriver | Philippe Labro |
| 1969 | Tristana | Luis Buñuel |
| 1970 | Peau d'Ane | Jacques Demy |
| 1971 | Ça n'arrive qu'aux autres | Nadine Trintignant |
| 1971 | Liza | Marco Ferreri |
| 1971 | Un flic | Jean-Pierre Melville |
| 1973 | Evénement le plus important depuis que l'homme a marché sur la lune (L') | Jacques Demy |
| 1973 | Touche pas à la femme blanche | Marco Ferreri |
| 1974 | Agression (L') | Gérard Pirès |
| 1974 | Fatti di gente per bene La Grande bourgeoise | Mauro Bolognini |
| 1974 | Femme aux bottes rouges (La) | Juan Luis Buñuel |
| 1974 | Hustle La Cité des dangers | Robert Aldrich |
| 1974 | Zig-zig | Laszlo Szabo |
| 1975 | Sauvage (Le) | Jean-Paul Rappeneau |
| 1976 | Anima persa Ames perdues | Dino Risi |
| 1976 | March or Die Il était une fois la légion | Dick Richards |
| 1976 | Si c'était à refaire | Claude Lelouch |
| 1977 | Casotto | Sergio Citti |
| 1977 | Ecoute voir | Hugo Santiago |
| 1978 | Argent des autres (L') | Christian de Chalonge |
| 1978 | Ils sont grands ces petits | Joël Santoni |
| 1979 | A nous deux | Claude Lelouch |
| 1979 | Courage, fuyons | Yves Robert |
| 1980 | Dernier métro (Le) | François Truffaut |
| 1980 | Je vous aime | Claude Berri |
| 1981 | Choc (Le) | Robin Davis |
| 1981 | Choix des armes (Le) | Alain Corneau |
| 1981 | Hôtel des Amériques | André Téchiné |
| 1982 | Africain (L') | Philippe de Broca |
| 1982 | Hunger (The) Les Prédateurs | Tony Scott |
| 1983 | Bon plaisir (Le) | Francis Girod |
| 1983 | Fort Saganne | Alain Corneau |
| 1984 | Paroles et musique | Elie Chouraqui |
| 1985 | Lieu du crime (Le) | André Téchiné |
| 1985 | Speriamo che sia femmina Pourvu que ce soit une fille | Mario Monicelli |
| 1987 | Agent trouble | Jean-Pierre Mocky |
| 1987 | Fréquence meurtre | Elisabeth Rappeneau |
| 1988 | Drôle d'endroit pour une rencontre | François Dupeyron |
| 1988 | Frames from the Edge | Adrian Maben |
| 1990 | Reine Blanche (La) | Jean-Loup Hubert |
| 1991 | Contre l'oubli : Febe Elisabeth Velasquez (El Salvador) | Chantal Akerman |
| 1991 | Indochine | Régis Wargnier |
| 1992 | Demoiselles ont eu 25 ans (Les) | Agnès Varda |
| 1992 | Ma saison préférée | André Téchiné |
| 1993 | Partie d'échecs (La) | Yves Hanchar |
| 1994 | Cent et une nuits (Les) | Agnès Varda |
| 1994 | Convento (O) Le Couvent | Manoel de Oliveira |
| 1995 | Voleurs (Les) | André Téchiné |
| 1996 | Généalogies d'un crime | Raoul Ruiz |
| 1997 | Pierre ou les ambiguïtés [TV] | Leos Carax |
| 1997 | Place Vendôme | Nicole Garcia |
| 1997 | Pola X | Leos Carax |
| 1998 | Belle maman | Gabriel Aghion |
| 1998 | Est-Ouest | Régis Wargnier |
| 1998 | Temps retrouvé (Le) | Raoul Ruiz |
| 1998 | Vent de la nuit (Le) | Philippe Garrel |
| 1999 | Book That Wrote Itself (The) | Liam O Mochain |
| 1999 | Dancer in the dark | Lars von Trier |
| 2000 | Absolument fabuleux | Gabriel Aghion |
| 2000 | Je rentre à la maison | Manoel de Oliveira |
| 2000 | Musketeer (The) D'Artagnan | Peter Hyams |
| 2000 | Petit Poucet (Le) | Olivier Dahan |
| 2001 | Au plus près du paradis | Tonie Marshall |
| 2001 | Huit femmes | François Ozon |
| 2002 | Um filme falado Un film parlé | Manoel de Oliveira |
| 2002 | Yves Saint-Laurent | David Teboul |
| 2003 | Rois et reine | Arnaud Desplechin |
| 2004 | Palais royal ! | Valérie Lemercier |
| 2004 | Temps qui changent (Les) | André Téchiné |
| 2005 | Concile de pierre (Le) | Guillaume Nicloux |
| 2006 | Après lui | Gaël Morel |
| 2006 | Héros de la famille (Le) | Thierry Klifa |
| 2006 | Persepolis | Marjane Satrapi, Vincent Paronnaud |
| 2007 | Bancs publics (Versailles rive droite) | Bruno Podalydès |
| 2007 | Je veux voir | Joana Hadjithomas, Khalil Joreige |
| 2007 | Mes stars et moi | Laetitia Colombani |
| 2007 | Un conte de Noël | Arnaud Desplechin |
| 2008 | Cyprien | David Charhon |
| 2008 | Ein Artikel zu viel Lettre à Anna | Eric Bergkraut |
| 2008 | Fille du RER (La) | André Téchiné |
| 2008 | Mères et filles | Julie Lopes-Curval |
| 2009 | Homme qui voulait vivre sa vie (L') | Éric Lartigau |
| 2009 | Potiche | François Ozon |
| 2010 | Bien-aimés (Les) | Christophe Honoré |
| 2010 | Images de femmes ou le corset social | Jean-François Ferrillon |
| 2010 | Yeux de sa mère (Les) | Thierry Klifa |
| 2011 | Astérix et Obélix au service de sa majesté | Laurent Tirard |
| 2011 | Lignes de Wellington (Les) | Valeria Sarmiento |
| 2012 | Dans la cour | Pierre Salvadori |
| 2012 | Elle s'en va | Emmanuelle Bercot |
| 2012 | Monsters University Monstres academy | Dan Scanlon |
| 2013 | Homme qu'on aimait trop (L') | André Téchiné |
| 2013 | Trois coeurs | Benoît Jacquot |
| 2014 | Tête haute (La) | Emmanuelle Bercot |
| 2014 | Tout nouveau testament (Le) | Jaco Van Dormael |
| 2015 | Cancre (Le) | Paul Vecchiali |
| 2016 | Bonne pomme | Florence Quentin |
| 2016 | Sage femme | Martin Provost |
| 2016 | Tout nous sépare | Thierry Klifa |
| 2017 | Dernière folie de Claire Darling (La) | Julie Bertuccelli |
| 2017 | Mauvaises herbes | Kheiron |
| 2018 | Adieu à la nuit (L') | André Téchiné |
| 2018 | Fête de famille | Cédric Kahn |
| 2018 | Vérité (La) | Hirokazu Kore-eda |
| 2019 | De son vivant | Emmanuelle Bercot |
| 2019 | Terrible jungle | Hugo Benamozig, David Caviglioli |