Fille de la comédienne Renée Simonot, elle est la sœur aînée de Catherine Deneuve. La jeune femme connaît une adolescence mouvementée et peine à se plier aux règles du lycée. Son père lui permet alors de tourner pour les films sur lesquels il travaille. Ainsi, elle décroche un petit rôle dans Heidi de Comencini en 1952. La jeune femme poursuit sa formation au conservatoire d’art dramatique et monte pour la première fois sur scène en 1960 pour une adaptation d’un roman de Colette. Françoise perce au cinéma en 1964 lorsqu’elle joue la compagne de Jean-Paul Belmondo dans L’Homme de Rio. Les succès s’enchaînent alors pour la jeune femme, de Cul-de-Sac de Polanski en 1965 à la comédie musicale Les Demoiselles de Rochefort où elle joue le rôle de la jumelle de sa véritable sœur, Catherine Deneuve. Côté vie privée, Françoise noue une relation avec Jean-Pierre Cassel qu’elle rencontre dans une boîte de Saint-Tropez. Elle vit par la suite une aventure avec le réalisateur François Truffaut sur le tournage de La Peau Douce. Mais en 1967, alors qu’elle est au volant d’une petite Renault, l’actrice manque un virage sous la pluie et décède des suites de l’accident. En 2010, Catherine Deneuve a présenté une variété de camélias dont le nom rend hommage à sa sœur tragiquement fauchée dans sa jeunesse.