Франсуаза родилась в актерской семье Мориса Теньяка (псевдоним - Дорлеак) и Рене Денев. Она была среди четырех своих сестер самой старшей. По воспоминаниям Катрин Денев, сестра всегда мечтала стать актрисой. Для этого она очень следила за собой, всегда старалась быть в форме, изучала классические танцы и актерское мастерство у Рене Жирара. Самая лучшая ее театральная роль это роль Жижи в одноименном спектакле по мотивам новеллы Сидони Колетт. За свою недолгую карьеру в кино Франсуаза успела сняться почти в двадцати фильмах, но лучшие ее работы, по которым ее помнят это роль Николь в фильме «Нежная кожа» режиссера Франсуа Трюффо в 1964 году и роль Соланж Гарнье в фильме «Девушки из Рошфора» Жака Деми в 1967 году. В последнем она играла первый и последний раз вместе со своей сестрой Катрин Денев. Они исполнили роли двух неразлучных и неунывающих сестер Дельфин и Соланж Гарнье. Этот фильм был задуман Жаком Деми как альтернатива «Шербурским зонтикам», чтобы показать обеих актрис во всей их красе.

Несмотря на все усилия Франсуаза так и не получила при жизни всеобщего признания. Ее судьба решилась на Каннском кинофестивале в 1964 году, когда дуэль двух французских фильмов «Нежная кожа» с ее участием и «Шербурские зонтики» с участием ее сестры закончился победой последнего. Тогда Катрин Денев стала лучшей актрисой и символом Франции.
Летом 1967 года, незадолго до гибели своей сестры Катрин начала сниматься в новом фильме. Однако внезапная и трагическая гибель ее старшей сестры настолько потрясла актрису, что совершенно вывела ее из равновесия. Большими усилиями воли и под воздействием транквилизаторов Катрин Денев продолжила съемки.
Франсуаза Дорлеак навсегда осталась в памяти французских зрителей веселой девушкой из музыкального фильма «Девушки из Рошфора», в то время как ее младшая сестра достигла Олимпа актерской славы. Такие разные судьбы у двух сестер, когда-то почти одновременно начинавших свою актерскую карьеру. Одна стала мировой кинозвездой, а другая так и осталась малоизвестной французской киноактрисой.