S-a născut pe 22 octombrie 1943, la Paris, a treia din cele patru fete ale familiei. Ambii lor părinţi au fost actori, iar debutul lui Catherine s-a produs în 57, când ea avea…
doar 14 ani. Şi-a schimbat numele de familie, Dorleac, cu cel de fată al mamei sale, pentru a nu fi confundată cu o soră mai mare de-a ei, de asemenea actriţă.
Primul ei succes a fost într-un musical, „Les parapluies de Cherbourg”, în 1964. A avut roluri remarcabile şi în „Belle de jour”, „Sirena de pe Mississippi” sau „Ultimul metrou”.
În 1993 a fost nominalizată la Oscar pentru „Indochine”. Frumuseţea şi eleganţa ei i-au adus un loc în cele mai sexy 100 staruri de cinema din toate timpurile.
A urmat-o de asemenea pe Brigitte Bardot ca fiind Marianne, simbolul Franţei. Are un fiu din 63, cu Roger Vadim, a fost căsătorită între 65 şi 72 cu David Bailey, după care a urmat relaţia ei cu actorul italian Marcello Mastroianni, cu care are o fată, Chiara.