Née et élevée à Paris au milieu d'une famille de mélomanes, Danielle Darrieux voit son père mourir très jeune, et sa mère donner des cours de chant pour vivre. La jeune fille en retire un goût prononcé pour la musique, et étudie le chant et le violoncelle au Conservatoire. A 14 ans, par l'intermédiaire d'une amie de sa mère, elle passe des tests et est retenue pour jouer le rôle principal du film Le Bal, de Wilhelm Thiele. Elle décroche dans la foulée un contrat de cinq ans sans avoir pris une seule leçon d'art dramatique. A peine adolescente, elle enchaîne les rôles de gamine facétieuse, notamment sous la direction de Billy Wilder ( Mauvaise Graine), et souvent aux côtés d' Albert Préjean, avec lequel elle forme un couple de cinéma idéal. C'est pourtant le réalisateur Henri Decoin, qui la dirige dans Le Domino vert, et va l'épouser. Elle n'a que 19 ans.

Tout en étant l'égérie de son époux (la comédie sentimentale Mademoiselle ma mère, le mélo Abus de confiance), Danielle Darrieux trouve un vrai rôle dramatique dans Mayerling, d' Anatole Litvak, en 1936. Le succès du film est foudroyant, et les portes de Hollywood lui sont ouvertes : elle signe un contrat de sept ans avec les Studios Universal... qui ne mènera nulle part. Retour en France, à l'ombre de la caméra d'Henri Decoin, qu'elle quitte pourtant à l'orée des années 40 malgré le vif succès de Premier Rendez-vous. Cependant, elle tournera à nouveau avec le réalisateur dans Bonnes à tuer et dans La Vérité sur bébé Donge dans lequel elle empoisonne son mari.

Darrieux poursuit sa carrière et incarne Maria d'Espagne dans Ruy Blas avant de se marier en blanc pour aider un ami dans Occupe-toi d'Amélie de Claude Autant-Lara. Elle travaillera d'ailleurs plusieurs fois avec ce réalisateur, notamment dans Le Bon Dieu sans confession et Le Rouge et le Noir. La comédienne se retrouve plusieurs fois sous la direction de Max Ophüls qui lui offre des rôles de femmes désemparées dans La Ronde, Le Plaisir et Madame de... .

Darrieux tourne également dans plusieurs films historiques tels que Napoléon et Si Paris nous était conté... de Sacha Guitry ou Alexandre le Grand de Robert Rossen. L'actrice incarne aussi l'une des victimes du tueur en série Landru dans le drame de Claude Chabrol.

Au cours de sa carrière, Danielle Darrieux reste fidèle à plusieurs réalisateurs comme Marc Allégret qui lui donne des rôles de femmes infidèles ( L'Amant de Lady Chatterley, Un Drôle de Dimanche), Julien Duvivier ( Pot-Bouille, Marie-Octobre, Le Diable et les dix commandements), et Jacques Demy qui la fait jouer dans ses comédies musicales en tant que mère des Demoiselles de Rochefort, et propriétaire d' Une Chambre en ville qu'elle loue à un jeune métallurgiste. Danielle Darrieux est d'ailleurs la seule comédienne à ne pas être doublée lors des chansons.

A partir des années 80, l'actrice joue de plus en plus de rôles secondaires et se retrouve souvent dans la peau de grands-mères tels que dans Le Lieu du crime d' André Téchiné, Les Mamies, 8 Femmes ou Une Vie à t'attendre. Elle prête même sa voix à la grand-mère de Marjane dans le film d'animation Persépolis.

Puis Danielle Darrieux revient sur le devant de la scène dans L'Heure zéro et y incarne Mme Trésillian, la riche tante de Guillaume de Neuville, retrouvée assassinée.