Starsza siostra Catherine Deneuve. Absolwentka wydziału aktorskiego Conservatoire d'Art Dramatique. Zaczęła karierę jako modelka Christiana Diora. To on wprowadził ją do środowiska filmowego. Na ekranie zaczęła się pojawiać od końca lat 50. Początkowo obsadzano ją w czysto "dekoracyjnych" rólkach, w mało znaczących produkcjach. Pierwszy większy sukces odniosła, partnerując Jean-Paulowi Belmondo w komedii Philippe'a de Broca - "Człowiek z Rio". Po doskonale przyjętych rolach w filmach François Truffauta ("Gładka skóra"), Romana Polańskiego ("Matnia"), Jacquesa Demy'ego ("Panienki z Rochefort") i Kena Russella ("Mózg za miliard dolarów"), zwróciła na siebie uwagę Hollywood. Wielka kariera międzynarodowa Dorléac została przerwana jej tragiczną śmiercią w wypadku samochodowym.