Fille de Bernard Cuau, prof de cinéma et journaliste, la jeune Marianne Denicourt est fascinée par le cirque et la danse. Adolescente, elle fait sa première apparition à l'écran en figurante dans L'Argent de Bresson. Après son bac, elle suit des cours d'art dramatique avant d'intégrer la prestigieuse école des Amandiers de Nanterre, où elle a pour professeurs Chéreau et Pierre Romans. En 1987, elle est L'Amoureuse dans le subtil marivaudage que tourne Doillon avec les élèves des Amandiers, mais le film ne sortira en salles qu'en 1993.

Entretemps, Marianne Denicourt est devenue une égérie du cinéma d'auteur, souvent dans des rôles de soeur : celle, possessive, de l'amant d'Emmanuelle Béart dans La Belle Noiseuse de Rivette (cinéaste qui la fera chanter et danser en 1995 dans Haut bas fragile) et, celle, désespérée, de Patrick, le jeune homme suicidé de La Vie des morts, le moyen métrage qui révéla Arnaud Desplechin en 1990. On la retrouvera dans les deux premiers longs du jeune auteur issu de la FEMIS (La Sentinelle et Comment je me suis disputé...).

Au milieu des années 90, Marianne Denicourt s'oriente vers un cinéma plus grand public : assistante d'un psy dans Passage à l'acte de Girod, elle campe une maîtresse du Divin Marquis dans le Sade de Jacquot (2000), deux films dans lesquels elle donne la réplique à celui qui est alors son compagnon, Daniel Auteuil. On la retrouve à l'affiche de plusieurs comédies, du corrosif A mort la mort ! de Romain Goupil au tendre Quelqu'un de bien de Patrick Timsit en passant par Une pour toutes de Lelouch, et Monique (2001), où elle a pour rivale une poupée gonflable. L'actrice revient en 2005 sur le terrain du film d'auteur avec Le Domaine perdu de Raoul Ruiz.

Tournant peu, Marianne Denicourt obtient plusieurs seconds rôles dans des films aussi différents que La Sainte Victoire, Une folle envie (tous deux portés par Clovis Cornillac) ou encore Hippocrate réalisé par l'ancien médecin généraliste Thomas Lilti. Ce dernier lui permet d'accéder à la tête d'affiche de son troisième long métrage Médecin De Campagne (2016) qui la voit donner la réplique à François Cluzet.