In 1971 Catherine Deneuve si Marcello Mastroianni joaca impreuna in "It Only Happens to Others", un film/ drama in care eroii principali Catherine și Marcello ce si-au pierdut fiica de doar 9 luni, încearcă să-si aminteasca de anii fericiti... si interpretii, desi aflati oficial in alte relatii, se indragostesc.
Rodul iubirii lor este Chiara Mastroianni nascuta pe 28 mai 1972. Timp de aproape cinci ani a crescut alaturi de parintii sai, tatal bland, simplu si nepretentios: "My father was a sun, always positive. He was simple, unpretentious - more peasant than actor", si o mama infricosata si rece (trecuse prin ceva... greutati) ce rar isi arata pe fata sentimentele: "My mother is the shyest person, you would not imagine. And she's funny. She's much more funny than people think. It's like an animal, the moment a dog is scared, it's going to bite you. And I think some people we think they're terrifying, but themselves, they are terrified."
Dupa despartirea celor doi, ramane alaturi de mama si debuteaza la numai 7 ani in filmul "Us Two" (1979). Rolul Anne din "My Favorite Season" (1993) ii aduce o nominalizare in 1994 pentru "Most Promising Actress" la premiile César, iar in 2001 "The Words of My Father", rolul Adda ii aduce o alta nominalizare.
Pe 31 decembrie 1996 a dat nastere fiului ei Milo, al cărui tată este sculptorul francez Pierre Torreton. Dupa o relatie cu suisuri si coborasuri cu actorul, regizorul si producatorul Benicio Del Toro, pe 11 mai 2002 se căsătoreste cu autorul, compozitorul și cântărețul Benjamin Biolay în Paris, iar pe 22 aprilie 2003 da nastere fiicei ei Anna. Din 2009 este intr-o relatie cu cu actorul Vincent Lindon.
