Fille des acteurs Maurice Dorléac et Renée Simonot, Françoise Dorléac est la sœur de Catherine Deneuve. Elle est d’abord actrice de doublage et mannequin. Formée au Conservatoire, elle fait ses débuts sur scène en 1960 dans Gigi de Colette, mis en scène par Robert Manuel au Théâtre Antoine, avant d’enchaîner avec Noix de coco de Marcel Achard et Le mariage forcé de Molière, deux spectacles mis en scène par Jean Meyer.
En même temps, le cinéma la sollicite et elle tient d’abord des seconds rôles dans plusieurs productions dont Ce soir ou jamais (1960) de Michel Deville, La fille aux yeux d’or (1961) de Jean-Gabriel Albicocco et Arsène Lupin contre Arsène Lupin (1962) d’Edouard Molinaro. Son personnage de fiancée de Jean-Paul Belmondo dans la comédie d’aventures L’homme de Rio (1964) de Philippe de Broca lui ouvre les portes du vedettariat. Françoise Dorléac enchaîne avec un rôle dramatique dans La peau douce (1964) de François Truffaut, aux côtés de Jean Desailly. Elle y dévoile un grand talent d’actrice dans un film considéré aujourd’hui comme un classique, mais qui fut un échec à sa sortie en salle.
Après La ronde (1964) de Roger Vadim, Françoise Dorléac entame une carrière internationale avec Cul-de-sac (1965), chef-d’œuvre de comédie policière décalée, dans lequel elle est dirigée par Roman Polanski, partageant l’affiche avec Donald Pleasence. Elle joue la même année dans Genghis Khan (1965) de Henry Levin et Passeport pour l’oubli (1965) de Val Guest, puis dans Un cerveau d’un milliard de dollars (1967) de Ken Russell.
Mais c’est son rôle de la jumelle Solange Garnier dans la comédie musicale Les demoiselles de Rochefort (1967) qui lui apporte une grande popularité. Pour ce film culte de Jacques Demy où elle a pour partenaire sa sœur, Catherine Deneuve, elle est doublée pour le chant par Claude Parent. Françoise Dorléac se tue dans un accident de voiture le 26 juin 1967, à l’âge de 25 ans.