Fra 1965 til 1972 var hun gift med den britiske fotografen David Bailey. På film har hun ofte spilt uskyldige roller, men privat er hun kjent for sin frigjorthet. Deneuve har en sønn, Christian som ble født i 1963, med den franske regissøren Roger Vadim og en datter, skuespilleren Chiara Mastroianni født i 1972, med den italienske skuespilleren Marcello Mastroianni uten å ha vært gift med noen av mennene. Hun har også vært politisk aktiv for fri abort og mot dødsstraff.