Катрин Денев (Дорлеак) родилась 22 октября 1943 года в семье актеров Мориса Дорлеака и Рене Денев. У Катрин есть две родные сестры Франсуаза и Сильви и одна сводная — Даниэль.
Чтобы отличаться от сестер, Катрин взяла творческий псевдоним — девичью фамилию матери. Семья Дорлеак проводила время то в квартире в 16-ом округе Парижа, то в загородном доме.
Как и многие парижские ученицы, Катрин посещала католические школы. В 13 лет Катрин вместе со своей младшей сестрой Сильви снялась в фильме Les Collégiennes («Гимназистки»).
А в 1960-м, когда Катрин было 17, Франсуаза, уже будучи довольно известной актрисой, позвала ее в малобюджетную картину Les portes claquent («Двери хлопают»).