Dorléac fick sitt filmgenombrott i François Truffauts ”Den lena huden” (1964). Sin dramatiska begåvning visade hon även i Roman Polanskis ”Djävulsk gisslan” (1966) och tillsammans med systern Catherine Deneuve i Jacques Demys ”Flickorna i Rochefort” (1967). Hon omkom i en bilolycka.