Мари-Элен Демонжо родилась 29 сентября 1935 года в Ницце. Девушка имеет славянские украинские корни. Во времена неспокойных революционных лет её мама Клавдия Трубникова родом из Харькова в 1918 сбежала во Францию, где и познакомилась с её будущим итальянским отцом Альфредом Демонжо, но умерла в молодом возрасте от рака.
Родители Мари были состоятельны и владели семейным винным заводом, переходившим из поколение в поколение, детство она провела у Клотильды где училась музыке, игре на фортепиано, девочка свободно владела итальянским, французским и английским. В 15 лет её сделали операцию по корректировки косоглазия и рекомендовали следить за питаем и заниматься спортом, девушка была плотного телосложения и хотела стать моделью, рост 171 был очень востребован.
Мари начала карьеру фотомодели и манекенщицы у Кристиана Диора, также работала фотомоделью у Пьера Кардена и взяла псевдоним Милен.
В 1953 году в 17 лет у Милен состоялся дебют в кино в картине "Дети любви", первую роль ей предложил уроженец Петербурга режиссер Леонид Могий, в 1954 получила роль в картине "Будущие звёзды". в 1957 году на телеэкраны выходит фильм «Салемские колдуньи», в котором актриса сыграла роль Абигейль. Кинокритики хорошо отзывались о девушке.
Выбить серьёзные роли пока не получалось и Мари играла в комедиях и приключенческих картинах "Марафонская битва" и "Похищение сабинянок" - персонаж Реа.
В 1961 году она сотрудничала с режиссером Роем Бейкером и снялась в фильме «Певец без песни». Через 2 года состоялась премьера еще одной картины "Доктор в беде", режиссера Ральфа Томаса. Актриса снималась и в Англии, где ее знали как Милен Николь, для удобства произношения английского языка.
Также актриса не брезговала сниматься в "откровенных" фотографиях того времени, что порождало слухи, общение с Аленом Дэлоном и работа с Диором лишь добавляла огня.
Звездная роль Миледи Винтер в фильме "Три мушкетера. Месть миледи" 1961 года сделала её звездой французского кино.
В 1964 году в фильме "Фантомас", Милен Демонжо представила героиню Элен. Вместе с ней в картине снимались Жан Маре и Луи де Фюнес которые тоже были в главных ролях.
Личная жизнь актрисы была сложной. Первый раз девушка вышла замуж в 22 года за Анри Косте. Они были знакомы давно, но их брак оказался неудачным, и пара развелась через несколько лет. Потом была череда бойфрендов и мимолетных связей. В издательстве "Фламмарион" вышли мемуары актрисы "Мои священные чудовища". В книгу вошли 52 портрета. Среди героев Жорж Сименон, Сальвадор Дали, Жан Габен, Ив Монтан, Джо Дассен, Ален Делон, Жан-Поль Бельмондо, Франсуа Трюффо, Морис Шевалье, Омар Шариф, Жерар Депардье, Пьер Ришар, Сальвадор Дали, Жак Ширак и даже наследник британской короны принц Чарльз - он кстати интересовался когда Мари можно будет увидеть в купальнике.
Вторым мужем актрисы стал режиссер и сценарист Марк Сименон. Пара познакомилась на приёме, в честь фильма "Три мушкетера". Они жили в гражданском браке 22 года. Марк всерьез опасался, вспоминает Демонжо, что она увлечется его отцом, известным своими бесчисленными победами над слабым полом.
Надеюсь, ты шутишь? — отвечала Милен.
Вспомни, сколько ему лет!
У Милен и Марка есть двое приемных детей. Когда актрисе исполнилось 55 лет, она вышла замуж за Сименона. Супруги были вместе 35 лет, пока Марк не погиб.
Сейчас Милен является президентом Международного фестиваля короткометражного кино «Харьковская сирень», который каждый год проходит в Харькове. Такое название мероприятие получило в честь мамы актрисы Клавдии Трубниковой. Демонжо каждый год его посещает и гордится своим званием.
Последним фильмом, в котором снялась Демонжо, стал «Я и ты», вышедший в 2017 году. Старушка часто появляется на телевидении и выступает на телешоу.