Мать Милен Демонжо, Клавдия Трубникова, родом с Украины (несколько лет назад актриса написала о ней книгу «Харьковская сирень»), после революции ее семья оказалась сначала в Китае, а потом во Франции. У отца актрисы, Альфреда Демонжо, были франко-итальянские корни. Она выросла в Ницце, изучала языки, музыку, занималась на актерских курсах. Совсем юной начала карьеру модели у Пьера Кардена. С 18 лет – в кино. Довольно быстро вошла в число популярных артисток с амплуа «сексапильная блондинка», однако драматическим талантом Демонжо тоже не была обделена. За роль в фильме «Салемские колдуньи» она получила приз на МКФ в Карловых Варах и была номинирована на премию Британской киноакадемии.

В шестидесятые Демонжо была одним из главных секс-символов европейского кино – много снималась в мелодрамах, комедиях, приключенческих и псевдоисторических лентах. Ее главные достижения, за которые актрису любят по сей день, – миледи в цикле о «Трех мушкетерах» и Элен в «Фантомасе». 

В 1968 году Демонжо вышла замуж за режиссера Марка Сименона, старшего сына знаменитого писателя Жоржа Сименона. Они были вместе более тридцати лет. Актриса снялась в нескольких фильмах мужа. Последние годы их совместной жизни были очень тяжелыми – Сименон страдал алкоголизмом. Демонжо, как могла, боролась, помогала и, несмотря на трудности, не оставила мужа в беде до самого его ухода в 1999 году. Позднее написала об этом откровенную книгу, не для того, чтобы порадовать публику пикантными подробностями из жизни знаменитостей, а с целью помочь семьям, которым пришлось столкнуться с такой же проблемой. 

С восьмидесятых годов снимается преимущественно в небольших ролях («Вечернее платье», «Набережная Орфевр, 36», «Кемпинг»). Не скрывает, что на какие-то роли соглашается ради заработка, в то время, как в артхаусном кино, в фильмах режиссеров нового поколения работает практически бесплатно.

Еще в шестидесятые была гостьей Московского МКФ (не без волнения – все-таки дочь эмигрантки), в последнее время регулярно приезжает в родной город матери, где проходит кинофестиваль «Харьковская сирень».

Избранная фильмография актрисы:

2011. ЕСЛИ ТЫ УМРЕШЬ, Я ТЕБЯ УБЬЮ / SI TU MEURS , JE TE TUE /, реж. Хинер Салим

2010. КЕМПИНГ-2 / CAMPING 2/, реж. Фабьен Онтеньенте

2009. ОСКАР И РОЗОВАЯ ДАМА / OSCAR ET LA DAME ROSE /, реж. Эрик-Эммануэль Шмитт

2009. ЛГУНЬЯ /TRICHEUSE/, реж . Жан - Франсуа Дави

2007. ПОД КРЫШАМИ ПАРИЖА /SOUS LES TOITS DE PARIS/, реж . Хинер Салим

2006. КАЛИФОРНИЯ /LA CALIFORNIE/, реж . Жак Фьески, номинация на премию César за лучшую женскую роль второго плана

2006. КЕМПИНГ /CAMPING/, реж . Фабьен Онтеньенте

2004. Набережная Орфевр , 36 /36 Quai des Orfevres /, реж . Оливье Маршаль, номинация на премию César за лучшую женскую роль второго плана

1994. По следу телеграфа /La Piste du t é l é graphe /, реж. Лилиан де Кермадек

1986. ВЕЧЕРНЕЕ ПЛАТЬЕ /TENUE DE SOIRÉE/, реж. Бертран Блие

1983. ВЕЧЕРИНКА СЮРПРИЗОВ /SURPRISE PARTY/, реж. Роже Вадим  

1981. Подписано: Фюракс /Signé Furax /, реж. Марк Сименон

1974. Кровью других / Par le sang des autres /, реж. Марк Сименон

1969. 12 плюс 1 /Douze et un/ , реж . Николя Гесснер

1967. ФАНТОМАС ПРОТИВ СКОТЛАНД-ЯРДА /FANTÔMAS CONTRE SCOTLAND YARD/, реж. Андре Юнебель

1965. ФАНТОМАС РАЗБУШЕВАЛСЯ /FANTÔMAS SE DÉCHAÎNE /, реж. Андре Юнебель

1965. Хижина Дяди Тома /Onkel Toms Hütte/Uncle Tom's Cabin /, реж . Геза фон Редвани

1964. Фантомас /Fantômas/, реж . Андре Юнебель

1961. Похищение сабинянок / L ' Enl è vement des sabines /, реж. Ришар Потье

1961. ТРИ МУШКЕТЕРА : МЕСТЬ МИЛЕДИ /LES TROIS MOUSQUETAIRES: LA VENGEANCE DE MILADY/, реж . Бернар Бордери

1961. ТРИ МУШКЕТЕРА : ПОДВЕСКИ КОРОЛЕВЫ /LES TROIS MOUSQUETAIRES: PREMIÈRE ÉPOQUE – LES FERRETS DE LA REINE/, реж . Б ернар Бордери

1959. Слабые женщины / Faibles femmes /, реж. Мишель Буарон

1959. Марафонская битва / La Battaglia di Maratona /, реж. Жак Турнер

1958. БУДЬ КРАСИВОЙ И МОЛЧИ / Sois belle et tais - toi /, реж. Марк Аллегре

1958. Здравствуй, грусть /Bonjour tristesse /, реж. Отто Преминджер

1957. Салемские колдуньи /Les Sorcières de Salem /, реж . Раймон Руло, номинация на премию Британской киноакадемии BAFTA в категории «Лучшая дебютантка», приз МКФ в Карловых Варах за лучшую женскую роль

1955. Будущие звезды / Futures Vedettes /, реж. Марк Аллегре