Issue d'une famille de comédiens, Françoise Dorléac suit la même voie. A quinze ans, elle joue dans un court-métrage, Le mensonge (réalisateur inconnu). Renvoyée du lycée pour indiscipline, elle est d'abord mannequin chez Dior puis s'inscrit au cours d'art dramatique de Raymond Gérard. Elle débute au cinéma avec Les loups dans la bergerie (1959) d'Hervé Bromberger, tandis que Simone Berriau l'engage pour interpréter Gigi au théâtre.
Après quelques rôles secondaires, Françoise Dorléac se fait remarquer par sa fantaisie dans La gamberge (1961) de Norbert Carbonnaux, écrit à son intention par François Billetdoux. Philippe de Broca l'engage alors pour jouer la fiancée écervelée de Jean-Paul Belmondo dans L'homme de Rio (1963). Mais c'est François Truffaut qui la révèle dans La peau douce la même année. Dès lors, Françoise Dorléac se voit sollicitée pour des tournages à l'étranger. Aux Etats-Unis d'abord où Irwin Allen lui demande de tourner dans Gengis Khan (1964), puis en Grande-Bretagne où Roman Polanski lui propose un rôle dans Cul-de-sac (1965) auprès de Donald Pleasence. Son plus grand succès demeure Les demoiselles de Rochefort (1966), la comédie musicale de Jacques Demy où elle chante et danse au côté de sa soeur Catherine Deneuve. Quand s'achève le tournage du Cerveau d'un milliard de dollars (1967) de Ken Russel, Françoise Dorléac se tue dans un accident de voiture.
A la télévision, Françoise Dorléac joue Julie de Chaverny (1967), réalisé par Jean-Pierre Marchand.
Courts métrages 1962 | Petites demoiselles [TV] (Les) | Michel Deville |
| 1964 | 4 X D | Philippe Labro |
Longs métrages| 1959 | Loups dans la bergerie (Les) | Hervé Bromberger |
| 1960 | Ce soir ou jamais | Michel Deville |
| 1960 | Fille aux yeux d'or (La) | Jean-Gabriel Albicocco |
| 1960 | Portes claquent (Les) | Michel Fermaud, Jacques Poitrenaud |
| 1961 | Gamberge (La) | Norbert Carbonnaux |
| 1961 | Tout l'or du monde | René Clair |
| 1962 | Arsène Lupin contre Arsène Lupin | Edouard Molinaro |
| 1963 | Homme de Rio (L') | Philippe de Broca |
| 1963 | Peau douce (La) | François Truffaut |
| 1964 | Chasse à l'homme (La) | Edouard Molinaro |
| 1964 | Genghis Khan | Henry Levin |
| 1964 | Where the Spies Are Passeport pour l'oubli | Val Guest |
| 1965 | Cul-de-sac | Roman Polanski |
| 1966 | Demoiselles de Rochefort (Les) | Jacques Demy |
| 1967 | Billion Dollar Brain Un cerveau d'un milliard de dollars | Ken Russell |