Attrice. Figlia d'arte, il padre è l'attore Maurice Dorléac (meglio conosciuto come M. Teynac) e la madre l'attrice Renée Deneuve. La sorella Françoise, anch'essa attrice, è morta in un incidente d'auto nel 1967. A 13 anni intraprende la carriera cinematografica influenzata dall'ambiente familiare, usando come pseudonimo il cognome della madre distinguendosi così dalla sorella che ha mantenuto il cognome paterno. Fino ai primi anni '60 recita piccole parti, finchè Roger Vadim decide di lanciarla in "Il vizio e la virtù" del 1962. L'anno seguente, con il film musicale "Le parapluies de Cherbourg" di Jacques Demy si fa notare dalla critica e dal pubblico, ma il film che la lancia a livello internazionale è"Bella di giorno" di Luis Buñuel del 1967. Bella e sensuale ma anche misteriosa, quasi enigmatica, è l'attrice ideale per interpretare i personaggi creati da registi del calibro di Polanski e Truffaut o dei nostri Ferreri, Bolognini, Risi e Monicelli, (per citare solo alcuni dei grandi nomi con cui lavora). Grande professionista è richiesta sia dalle produzioni francesi che internazionali, arrivando sino ad Hollywood. Nel 1980 vince un premio César come miglior attrice per "L'ultimo metrò' " di F. Truffaut. Ne riceve un secondo nel '92 con il film "Indocina " di Régis Wargnier, interpretazione che le vale anche una nomination per l'Oscar. Nel 1998 le viene attribuita la Coppa Volpi alla Mostra del Cinema di Venezia per l'interpretazione di Marianne in "Place Vendôme" di Nicole Garcia. Dopo aver visto "Le onde del destino" di Lars von Trier (1996) ne rimane talmente affascinata da scrivere una lettera al regista danese per chiedergli di poter lavorare nel suo film successivo. Ottiene così il ruolo di Cathy in "Dancer in the dark", il musical con la cantante islandese Björk presentato a Cannes 2000. Nel 2002 è tra le protagoniste di "8 donne e un mistero", commedia corale di François Ozon il cui cast, tutto femminile, si è aggiudicato l'Orso d'argento al festival di Berlino. Nel 2005 ha pubblicato il libro"All'ombra di me stessa" una raccolta di diari privati in cui, durante le lavorazioni dei, l'attrice registrava il resoconto della giornata, fuori e dentro il set. Nel 2006 è presidente della giuria della 63ma Mostra Internazionale del Cinema di Venezia. Due anni dopo vince, con la sua interpretazione in 'Un conte de noël' di Arnaud Desplechinal, il Premio Speciale della 61. edizione del Festival di Cannes. Si è sposata solo una volta, nel 1965 con il fotografo inglese David Bailey da cui ha divorziato nel 1972, ma celebri sono i suoi legami con il regista francese Roger Vadim (da cui ha avuto un figlio nel '62, Christian) e con l'attore italiano Marcello Mastroianni (da cui ha avuto una figlia nel '72, Chiara). Non ha mai smentito le voci di un flirt con Truffaut durante le riprese di "L'ultimo métro". Ha sostituito Brigitte Bardot come modello per la Marianna in occasione del bicentenario della Repubblica Francese. Nel '94 è nominata presidente del Fondo Unesco Fiaf per la salvaguardia del patrimonio filmico. Ha scritto un libro in collaborazione con Anne Andreu e Patrick Modiano dal titolo "Si chiamava Françoise" in cui racconta il tormentato rapporto con la sorella. Le due sorelle hanno lavorato insieme solo in un film,"Josephine" un musical di Jacques Demy del 1967.