Catherine Deneuve (född 22 oktober 1943) är en fransk skådespelerska. Hon är dotter till två kända skådespelare. Hon har två systrar: Françoise Dorléac (1942-1967) och Sylvie (född 1946), båda också skådespelerskor, den förra dog i en bilolycka. Hon har en halvsyster från modersmamma, Danielle (född 1937).
Hon började medverka i filmer som tonåring. Hennes första stora roll är i Jacques Demys film Les Parapluies de Cherbourg från 1964. Hon har sedan dess arbetat med några av de största filmregissörerna, särskilt Roman Polanskis i Repulsion (1965) och Luis Buñuels i Belle de Jour (1967) och Tristana (1970) samt François Truffauts i Le Dernier Métro (1982). Hon gjorde en reklamfilm för parfymen Chanel No 5. Hon är en nära vän till modedesignern Yves Saint Laurent.
Hon var gift med den brittiske fotografen David Bailey från 1965 till 1972. Hon har haft förhållanden med filmregissören Roger Vadim (1928-2000), med vilken hon fick sonen Christian Vadim (född 1963), och den italienske skådespelaren Marcello Mastroianni (1924-1996), med vilken hon fick dottern Chiara Mastroianni (född 1972). Båda hennes barn är skådespelare.