Denise Chalem passe les premières années de sa vie au Caire. Sa famille quitte l'Égypte à cause des événements du canal de Suez et s'installe en France. Après le bac, elle prépare un DEUG d'études théâtrales et de lettres à Censier, où elle suit les cours de Jacques Lassalle. Elle est ensuite l'élève de l'école de Robert Hossein à Reims, avant d'intégrer le Conservatoire national supérieur d'art dramatique dans la classe d'Antoine Vitez (Promotion 1977).