Danièle Delorme rêve d'une carrière de concertiste et entreprend des études de piano. Les hasards de la guerre et de l'Occupation l'orientent vers le théâtre. Réfugiée à Cannes, elle suit les cours d'art dramatique de Jean Wall. Après la Seconde Guerre mondiale, elle parfait sa formation avec René Simon et Tania Balachova.
A seize ans, Danièle Delorme, jeune comédienne de la compagnie Claude Dauphin, débute au cinéma avec un petit rôle dans Félicie Nanteuil (1942) de Marc Allégret. Grâce à ce dernier, elle se fait remarquer dans Les petites du quai aux fleurs (1943), au côté d'un autre débutant, Gérard Philipe, puis se voit cantonnée dans des rôles pleurnichards jusqu'en 1948. En venant la chercher pour jouer Gigi (1948), tiré d'une nouvelle de Colette, la réalisatrice Jacqueline Audry lui apporte une soudaine notoriété. La grâce limpide, la pudeur inquiète, la passion contenue et frémissante de cette belle brune séduit. Elle est la nouvelle " jeune-fille-vedette " du cinéma français. Elle enchaîne alors le tournage de toute une série de films plus ou moins réussis dans lesquels elle est l'héroïne fragile et larmoyante : Miquette et sa mère (1949) d'Henri-Georges Clouzot, Agnès de rien (id.) de Pierre Billon, Minne l'ingénue libertine (1950) et Mitsou (1956) de Jacqueline Audry, Les misérables (1957) de Jean-Paul Le Chanois. Le public l'adore, mais, consciente du risque de se voir enfermer dans de tels rôles stéréotypés, elle se tourne vers les planches où elle joue avec finesse des personnages complexes dans des pièces d'Aldous Huxley, de Jean Anouilh, de Paul Claudel ou de Luigi Pirandello. Au cinéma, Julien Duvivier lui permet de faire " autre chose " . Elle incarne une femme machiavélique dans Voici le temps des assassins (1955). Après Prisons de femmes (1958) de Maurice Cloche, elle prend quelques distances avec son métier.
Avec son nouveau mari, le cinéaste Yves Robert, elle se lance dans la production. Avec La guerre des boutons (Yves Robert, 1961), ils obtiennent d'emblée un grand succès populaire qu'ils renouvellent avec Le grand blond avec une chaussure noire (1972). Se partageant entre théâtre, télévision et cinéma, cette boulimique de travail apparaît épisodiquement à l'écran, toujours étonnamment juvénile, dans des films de son époux (Un éléphant, ça trompe énormément, 1976 ; Nous irons tous au paradis, 1977) ou d'autres réalisateurs comme Claude Lelouch (Le voyou, 1970), André Delvaux (Belle, 1973), Elie Chouraqui (Qu'est-ce qui fait courir David ?, 1981) ou Daniel Benoin (Bal perdu, 1989).
Au théâtre, Danielle Delorme interprète aussi bien des pièces littéraires (L'annonce faite à Marie de Paul Claudel ; Le temps des cerises de Jacques Prévert ; Les justes d'Albert Camus ; Les parents terribles de Jean Cocteau) que des oeuvres contemporaines plus légères (Chaud et froid, 1967 ; La visite, 1975 ; Amédée ou Comment s'en débarrasser, 1986 ; Fête foreign, 1994). Elle tourne également pour le petit écran, notamment dans la série Madame le Proviseur .
Courts métrages 1949 | Ulysse ou les mauvaises rencontres | Alexandre Astruc |
| 1949 | Vedettes en liberté | Jacques Guillon |
| 1951 | Vedettes sans maquillage | Jacques Guillon |
| 1956 | Ô saisons, ô châteaux | Agnès Varda |
| 1958 | Soleil éteint | Guy Gilles |
| 1960 | Pélerinage (Le) | Jean L'Hôte |
| 1963 | Chemins de Paris | Raymond Letouzey |
Longs métrages| 1961 | Guerre des boutons (La) | Yves Robert |
| 1963 | Bébert et l'omnibus | Yves Robert |
| 1964 | Copains (Les) | Yves Robert |
| 1967 | Alexandre le bienheureux | Yves Robert |
| 1970 | Voyou (Le) | Claude Lelouch |
| 1971 | Malheurs d'Alfred (Les) | Pierre Richard |
| 1972 | Grand blond avec une chaussure noire (Le) | Yves Robert |
| 1973 | Salut l'artiste | Yves Robert |
| 1975 | Plein de super (Le) | Alain Cavalier |
| 1977 | Martin et Léa | Alain Cavalier |
| 1979 | Courage, fuyons | Yves Robert |
| 1980 | Fille prodigue (La) | Jacques Doillon |
| 1981 | Qu'est-ce qui fait courir David ? | Elie Chouraqui |
| 1983 | Bal (Le) | Ettore Scola |
| 1985 | Lune de miel | Patrick Jamain |
| 1989 | Château de ma mère (Le) | Yves Robert |
| 1989 | Gloire de mon père (La) | Yves Robert |
| 1993 | Montparnasse-Pondichery | Yves Robert |
| 1995 | Sortez des rangs | Jean-Denis Robert |
| 2011 | Comme des frères | Hugo Gélin |
| 2012 | Cage dorée (La) | Ruben Alves |
| 1974 | Que la fête commence | Bertrand Tavernier |
| 1997 | Himalaya, l'enfance d'un chef | Eric Valli |
| 2000 | Peuple migrateur (Le) | Jacques Perrin, Jacques Cluzaud, Michel Debats |
| 2004 | Equipier (L') | Philippe Lioret |
| 2004 | Joyeux Noël | Christian Carion |
| 2006 | U.V. | Gilles Paquet-Brenner |
| 1978 | Femme qui pleure (La) | Jacques Doillon |
| 1979 | Drôlesse (La) | Jacques Doillon |
| 1980 | Un étrange voyage | Alain Cavalier |
| 1984 | Jumeau (Le) | Yves Robert |
| 1987 | Fréquence meurtre | Elisabeth Rappeneau |
| 1942 | Belle aventure (La) | Marc Allégret |
| 1942 | Félicie Nanteuil | Marc Allégret |
| 1943 | Petites du quai aux fleurs (Les) | Marc Allégret |
| 1944 | Lunegarde | Marc Allégret |
| 1945 | J 3 (Les) | Roger Richebé |
| 1946 | Ouvert pour cause d'inventaire | Alain Resnais |
| 1947 | Croisière pour l'inconnu | Pierre Montazel |
| 1947 | Jeux sont faits (Les) | Jean Delannoy |
| 1948 | Gigi | Jacqueline Audry |
| 1948 | Impasse des Deux Anges | Maurice Tourneur |
| 1949 | Agnès de rien | Pierre Billon |
| 1949 | Cage aux filles (La) | Maurice Cloche |
| 1949 | Miquette et sa mère | Henri-Georges Clouzot |
| 1949 | Rendez-vous avec la chance | Emile Edwin Reinert |
| 1950 | Minne, l'ingénue libertine | Jacqueline Audry |
| 1950 | Olivia | Jacqueline Audry |
| 1950 | Sans laisser d'adresse | Jean-Paul Le Chanois |
| 1950 | Souvenirs perdus | Christian-Jaque |
| 1950 | Traité de bave et d'éternité | Isidore Isou |
| 1951 | Amour, Madame (L') | Gilles Grangier |
| 1952 | Dents longues (Les) | Daniel Gélin |
| 1952 | Femmes de Paris | Jean Boyer |
| 1952 | Jeune folle (La) | Yves Allégret |
| 1953 | Guérisseur (Le) | Yves Ciampi |
| 1953 | Si Versailles m'était conté | Sacha Guitry |
| 1953 | Tempi nostri Quelques pas dans la vie | Alessandro Blasetti |
| 1954 | Casa ricordi La Maison du souvenir | Carmine Gallone |
| 1954 | Huis-clos | Jacqueline Audry |
| 1955 | Dossier noir (Le) | André Cayatte |
| 1955 | Voici le temps des assassins | Julien Duvivier |
| 1956 | Mitsou | Jacqueline Audry |
| 1957 | Chaque jour a son secret | Claude Boissol |
| 1957 | Misérables (Les) | Jean-Paul Le Chanois |
| 1957 | Ni vu, ni connu | Yves Robert |
| 1958 | Prisons de femmes | Maurice Cloche |
| 1961 | Cléo de 5 à 7 | Agnès Varda |
| 1961 | Septième juré (Le) | Georges Lautner |
| 1964 | Marie-Soleil | Antoine Bourseiller |
| 1969 | Des christs par milliers | Philippe Arthuys |
| 1969 | Hoa-Binh | Raoul Coutard |
| 1970 | Voyou (Le) | Claude Lelouch |
| 1972 | Absences répétées | Guy Gilles |
| 1972 | Belle | André Delvaux |
| 1976 | Un éléphant ça trompe énormément | Yves Robert |
| 1977 | Barricade du point du jour (La) | René Richon |
| 1977 | Nous irons tous au paradis | Yves Robert |
| 1981 | Qu'est-ce qui fait courir David ? | Elie Chouraqui |
| 1982 | Côte d'amour (La) | Charlotte Dubreuil |
| 1989 | Bal perdu | Daniel Benoin |
| 1991 | Eaux dormantes (Les) | Jacques Tréfouël |
| 1995 | Sortez des rangs | Jean-Denis Robert |