Дениз Грей работала продавщицей и фотомоделью, прежде чем попасть в кино. Её дебютным фильмом стала немая картина 1913 года Mademoiselle Etchika. Однако кинематограф не сразу принёс ей успех. Лишь с 1915 года, когда Грей начала выступать певицей в кабарэ, ей стали предлагать интересные роли в кино и театре.
Выступала в театре «Комеди Франсэз» в 1944 — 1946 и в 1957 — 1958.
В 1991 году Дениз Грей прекратила выступления и окончила свою карьеру. Умерла в Париже в возрасте 99 лет. Похоронена в городе Аррадон.
Её дочь Сюзанн Грей также была актрисой и скончалась 13 декабря 2005 года в возрасте 88 лет.