Passée par le Cours Florent, Marie Denarnaud incarne, pour sa première expérience télé, une jeune femme violée dans la fiction de Patrick Sébastien, T'aime. Dirigée par des pointures comme Yvan Attal (Ma femme est une actrice) ou Coline Serreau (Chaos), la comédienne décroche un rôle de premier plan, en 2003, dans Les corps impatients, de Xavier Giannoli. Ninon, son personnage, sème le trouble au sein du couple formé par Laura Smet et Nicolas Duvauchelle.

Le grand public la découvre en parallèle dans la peau de soeur Clémence dans la série de TF1 avec Dominique Lavanant, SoeurThérèse.com. Les propositions fusent et les tournages s'enchaînent sur le grand (Nuit noire, Akoibon, Nos retrouvailles) comme le petit écran (Une vie, Le mystère Alexia, Merci, les enfants vont bien!). Dans la déchirante fiction de France 3 Lucile et le petit prince, elle émeut le public, en 2004, dans le rôle d'une mère confrontée à la maladie de son enfant.

En 2008, Marie Denarnaud donne la réplique à Guillaume Canet et François Cluzet dans le polar de Jacques Maillot, Les liens du sang. Variant les genres, elle partage l'affiche avec Robinson Stévenin de la fresque sociale engagée Les vivants et les morts, relatant les rébellions du personnel suite à la fermeture d'une usine. Mélanie Laurent la dirige ensuite dans son premier long métrage, Les adoptés.

Boulimique de travail et très sollicitée, la comédienne affiche une filmographie impressionnante. La jeune femme est l'épouse du premier maquisard de France (Xavier Gallais) dans Le Grand Georges. Elle fait tourner la tête de Bruno Debrandt dans La vie en miettes, puis est choisie par Audrey Estrougo pour incarner le personnage principal d'Une histoire banale, un film choc sur le tabou du viol.

Tout en se produisant régulièrement au théâtre, Marie Denarnaud se glisse dans la peau de femmes tantôt fortes, tantôt fragiles. Dans Toi que j'aimais tant, elle tente d'élucider le mystère autour de l'assassinat de sa soeur. Avec L’esprit de famille, la benjamine d'une fratrie confronte Michaël Youn et Ary Abittan à la réalité du don d’organes. Audrey Estrougo l'engage à nouveau pour donner cette fois la réplique à Sophie Marceau dans La Taularde.

L'actrice devient journaliste pour Malaterra, le remake de Broadchurch s'intéressant à la mort mystérieuse d'un gamin dans un village côtier de Corse. Elle bouscule les convenances en 2017 dans la fiction Mystère à la Tour Eiffel et retrouve Bruno Debrandt dans Je suis coupable. Héroïnes lui permet enfin de partager une folle aventure 100% féminine avec Romane Bohringer, Naidra Ayadi et Marie-Sohna Condé.

Dans la série de TF1 HPI, Marie Denarnaud incarne la boss du psychorigide commandant Karadec (Mehdi Nebbou). C'est elle qui oblige ce dernier à travailler étroitement avec l'imprévisible consultante dotée d'un impressionnant QI (Audrey Fleurot). Enfin, près de vingt ans après Les corps impatients, l'actrice retrouve Nicolas Duvauchelle dans Les papillons noirs, un thriller existentiel d'Arte sur un romancier en mal d'inspiration rédigeant les confessions d’un couple de serial killers.

Pascal Muscarnera