Au cinéma, quatorze ans après avoir été figurant dans le
Volpone (1941) d'
Yves Allégret, Charles Denner retrouve le cinéaste pour
La Meilleure part. Il enchaîne avec un petit rôle, celui de l'adjoint de Cherrier, dans
Ascenseur pour l'échafaud (1957) de
Louis Malle. Mais c'est en 1962 qu'il accède à la consécration en incarnant le meurtrier Henri-Désiré
Landru sous la houlette de
Claude Chabrol. Ce dernier le dirigera à nouveau dans
Les Plus belles escroqueries du monde (1964) et
Marie-Chantal contre le docteur Kha (1965). Avec son regard grave, son timbre de voix si particulier et sa répartie non dénuée d'ironie, Charles Denner peut aussi bien jouer des voyous de médiocre envergure (
Le Voleur de
Louis Malle), des pères de famille respectables (
Le Vieil homme et l'enfant ainsi que
La Première fois de
Claude Berri), des intellectuels retors (
Z de
Costa-Gavras,
Les Assassins de l'ordre de
Marcel Carné) que des personnages de marginaux (
Mado de
Claude Sautet,
Mille milliards de dollars d'
Henri Verneuil).
Dans les années 1970, ce second rôle incontournable réputé pour son magnétisme devient l'un des acteurs fétiches de
Claude Lelouch pour qui il tourne pas moins de cinq longs métrages :
Le Voyou (1970),
L'Aventure, c'est L'aventure (1972),
Toute une vie (1974),
Si c'était à refaire (1976) - film qui lui vaut une nomination au César du Meilleur acteur dans un second rôle en 1977 - et
Robert et Robert (1978), où il forme avec
Jacques Villeret un tandem détonant de célibataires. Au cours de cette décennie, on le voit également côtoyer à trois reprises
Jean-Paul Belmondo : pour
Les Mariés de l'an II (1971),
L'Héritier (1972) et
Peur sur la ville (1975), film policier dans lequel il interprète l'inspecteur Moissac.
Mais c'est à
François Truffaut qu'il doit l'un de ses plus beaux rôles, celui de
L'Homme qui aimait les femmes. Sa prestation de séducteur volage et fétichiste lui vaut d'être nommé au César du meilleur acteur en 1978. Dans les années 1980, Charles Denner travaille avec une nouvelle génération de cinéastes comme
Laurent Heynemann (
Stella, 1983),
Chantal Akerman (
Golden Eighties, 1986) ou encore
Jérôme Diamant-Berger (
L'Unique, 1986). Un cancer de la gorge diagnostiqué en 1985 l'amènera à quitter définitivement les plateaux de cinéma.