Françoise Dorléac naît de deux parents comédiens : Maurice Dorléac et Renée Simonot. Elle a deux soeurs : Catherine et Sylvie. Afin de palier son manque de considération pour l'école, de laquelle elle se fait constamment renvoyer, son père décide de lui donner quelques rôles dans le doublage comme Heïdi, de Luigi Comencini en 1952. En parallèle, elle suit des cours de comédie avec Raymond Girard puis Robert Manuel. C'est d'ailleurs grâce à ce dernier qu'elle fait ses débuts au théâtre dans la pièce Gigi, de Colette.

C'est en 1957 que les salles obscures la découvrent pour la première fois dans le court métrage Mensonges. Deux ans plus tard, elle décroche un rôle dans Les loups dans la bergerie. Sa notoriété se confirme en 1964, lorsqu'elle donne la réplique à Jean-Paul Belmondo dans l'Homme de Rio, de Philippe de Broca. Suivent La Peau Douce (Truffaut - 1964), Cul-de-Sac (Polanski - 1966) et Les Demoiselles de Rochefort (Demy- 1967). C'est dans ce dernier film qu'elle joue avec sa soeur, qui n'est autre que Catherine Deneuve. Bien qu'ayant eu une carrière courte, Françoise Dorléac a tout de même tourné dans plus de vingt films en seulement huit ans. 

La jeune actrice perd la vie à seulement 25 ans, le 26 juin 1967 dans un terrible accident de voiture. Françoise Dorléac est brûlée vive car elle ne parvient pas à sortir de la voiture accidentée. Elle repose dans le caveau familial de Seine-Port (77).