Световна популярност й донесе ролята във филма "Шербурските чадъри", който триумфира на фестивала в Кан през 1964 г. След това Катрин Деньов играе в първия англоезичен филм на Роман Полански – "Отвращение". Шокира с ролята си на леко момиче във филма. "Дневна красавица" 1967 година – драма с еротични елементи .Катрин Деньов често получава предложения за роли от Холивуд, но тя си остава френска актриса, снимаща се с най-добрите европейски режисьори.