Un visage tournée vers les films d'auteur.

Fille du journaliste et professeur de cinéma Bernard Cuau, elle pratique très tôt la danse et grandit dans la perspective de monter sur scène. Elle est figurante dans L'Argent de Robert Bresson. Elle décide de suivre une formation : elle est reçue à la prestigieuse école des Amandiers à Nanterre où elle reçoit l'enseignement de  Patrice Chéreau et Pierre Romans.
En 1987, Marianne Denicourt fait ses débuts au cinéma sous la houlette de Jacques Doillon dans L'Amoureuse, un film qui ne sortira qu'en 1993. Elle enchaîne ensuite des films denses, à forte implication personnelle. Elle devient l'érégie des réalisateur des films d'auteurs. Elle est alors dirigée par la fine fleur du cinéma français, Patrice Chéreau, Michel Deville ou Jacques Rivette.
Au début des années 90, sa vie bascule lorsqu'elle rencontre Arnaud Despléchin alors inconnu, qui fait d'elle l'héroïne de son premier film, La vie des morts. Devenue la compagne de Desplechin, elle tourne dans deux autres des ses films, La Sentinelle en 1992, puis dans Comment je me suis disputé... (ma vie sexuelle) en 1996. Ses films connaissent un vrai succès, surtout salué par les critiques et la presse spécialisées.
Mais l'idylle tourne court au début des années 2000. En 2004, Arnaud Desplechin réalise Rois et Reines, un film qui d'après elle, s'inspire des drames de sa vie privée. Elle écrit alors un livre, Mauvais génie, où elle règle ses comptes avec son ancien amant. Elle l'attaque même en justice et lui réclame 200 000 euros pour diffamation mais elle est finalement déboutée de sa requête.

A la télévision, elle tourne sous la direction de Josée Dayan dans Balzac et sous celle de Felix Olivier pour Djihad en 2006. Elle s'éssaye à l'écriture, et signe le scénario de Haut Bas Fragile en 1995.

Malgré les tournages cinématographiques qui lui prennent du temps, elle n'oublie pas de monter sur scène aussi. En 1987, elle joue dans Platonov de Tchekhov (mise en scène de P. Chéreau) puis elle travaille avec Murat, Blondy et Aubry entre autres. En 2009, c'est Marc Pacquien qui la met en scène dans La Ville.