Breillat begeisterte sich bereits als Kind fürs Kino. Mit zwölf Jahren entschloss sie sich, Schriftstellerin und Regisseurin zu werden.[1] Mit 17 zog sie aus ihrem strengen, katholischen Elternhaus aus und ging nach Paris. Dort schrieb sie mit 17 Jahren ihren ersten Roman Der leichte Mann (L' homme facile, 1968[2]), der als nicht jugendfrei eingestuft wurde.[3] Seither steht sie im Mittelpunkt einer Debatte über die sexuelle Identität der Frau und sieht sich dabei mit dem Vorwurf der Pornografie konfrontiert. Ihre Bücher und Filme zeichnen sich häufig durch explizite Darstellung von Sexualität aus, was oft kontroverse Diskussionen auslöst. Als junge Frau trat Catherine Breillat außerdem in ein paar kleineren Rollen in Filmen auf, u. a. mit ihrer Schwester, der Schauspielerin Marie-Hélène Breillat, in Der letzte Tango in Paris von Bernardo Bertolucci (1972). Bekannt ist Breillat aber vor allem als Autorenfilmerin. Die meisten ihrer Filme basieren auf einem von ihr selbst verfassten Roman oder einer Romanadaption von ihr.
Catherine Breillat hatte ihr Regiedebüt 1976 mit der Verfilmung ihres vierten Romans Le Soupirail unter dem Titel Ein Mädchen (Une vraie jeune fille). Der Film wurde ebenfalls für nicht jugendfrei erklärt. Auch ihr zweiter Film Tapage nocturne von 1979 wurde zensiert.[4] Infolgedessen hatte Breillat zunächst Schwierigkeiten, ihre Filme finanziert zu bekommen. Daher arbeitete sie ab Ende der 1970er bis in die 1990er Jahre sehr erfolgreich als Drehbuchautorin. Nach dem Erfolg ihres dritten Films Lolita ’90 (36 fillette) konnte sie ab Ende der 1980er Jahre weitere Filme drehen.
International bekannt wurde Breillat als Regisseurin 1999 durch ihren Film Romance XXX (Romance) auf dem Internationalen Filmfestival Rotterdam – das Festival widmete ihr eine Retrospektive.[5][6] Im Zuge der Neubewertung ihres künstlerischen Schaffens kam ihr erster Film Ein Mädchen ebenfalls in die Kinos.
2004 erlitt Catherine Breillat einen Schlaganfall, der einen fünfmonatigen Krankenhausaufenthalt nach sich zog.[7] Neben ihren Arbeiten als Filmemacherin unterrichtet sie an verschiedenen Instituten im Fach Drehbuchschreiben.