Настоящее имя — Катрин Дорлеак. А Денев — киношный псевдоним Катрин, в качестве которого использована девичья фамилия матери. Девушке пришлось пойти на такое в 1960 году, когда Франсуаза позвала ее сниматься в «Двери закрываются». Дело в том, что у Катрин была знаменитая сестра Франсуаза Дорлеак. Поэтому ее младшая и пока неизвестная родственница решила: знаменитая актриса Дорлеак в кино может быть только в единственном числе.
Денев никогда не играла в театре из-за боязни сцены.
У Катрин Денёв и Марчелло Мастроянни есть ребенок — Кьяра Мастроянни (1972).
В 2004 году актриса приезжала в Москву на презентацию книги Андрея Плахова о ней самой.
У Катрин Денёв есть сын Кристиан от режиссёра Роже Вадима.