Кинодебют Катрин состоялся в 1957 году. Это была картина «Les collégiennes» (Гимназистки). Но о таланте молодой актрисы начали говорить после её роли в фильме «Le vice et la vertu» (Порок и добродетель). И вот Катрин Денёв пригласили сыграть в фильме Жака Деми «Les parapluies de Cherbourg» (Шербурские зонтики). Это музыкальная драма 1964 года принесла молодой Катрин мировую славу и признание. Лента удостоилась главного приза Каннского Кинофестиваля – «Золотой пальмовой ветви».
В том же году на Картин обратили внимание режиссёры, ставшей легендарной, французской «новой волны». До этого молодая актриса снималась у таких режиссёров как Андре Юннебеля и Марка Аллегре, которых причисляли к «папиному кино». И в 1964 году Денёв играет в альманахе «Les plus belles escroqueries du monde» (Самые прекрасные мошенники на свете), новеллы для которого сняли такие именитые режиссёры как Жан-Люк Годар, Клод Шаброль и Роман Полански. Последний даже пригласил Денёв поучаствовать в своём следующем проекте – «Repulsion» (Отвращение). Лента вышла в 1965 году и получила две награды берлинского кинофестиваля: специальный приз жюри и приз международной ассоциации кинокритиков.
В 1966 году вышла лента Жана-Поля Раппно «La vie de château» (Жизнь в замке), которая раскрыла комедийный талант Катрин Денёв. А в 1969 году Катрин посчастливилось сняться в кинокартине Франсуа Трюффо «La sirène du Mississipi» (Сирена «Миссисипи») вместе с секс-символом тех лет, Жан-Полем Бельмондо. Ещё одной знаковой работой Катрин стала лента 1970 года «Tristana» (Тристана).
В девяностые годы Катрин Денёв всё так же снимается в фильмах радикальных режиссёров. В 1999 году она сыграла в провокационной картине Лео Каракса «Pola X» (Пола Х), где снялась обнажённой (и это в 56 лет!). В 2000 году вышел фильм Ларса Фон Триера «Dancer in the Dark» (Танцующая в темноте) с Катрин Денёв и Бьорк, который получил главную награду Каннского кинофестиваля – «Золотую Пальмовую Ветвь».
Сегодня Катрин Денёв является востребованной французской актрисой. Например, в 2011 году выходит два фильма с её участием: «Les yeux de sa mère» (Глаза его матери) и «Les bien-aimés» (Возлюбленный).
