Après un premier prix de Comédie au Conservatoire national supérieur d’art dramatique de Paris, Danièle Lebrun fait un passage éclair à la Comédie-Française de 1958 à 1960, avant d’intégrer la troupe de La Huchette où elle joue notamment dans La Cantatrice chauve de Ionesco mise en scène par Nicolas Bataille. Roger Planchon lui confie le rôle d’Angélique dans George Dandin de Molière en 1966. Laurent Terzieff la dirige dans Tango de Slawomir Mrozek l’année suivante et, à l’occasion de l’ouverture du Théâtre de la Ville en 1968, elle est distribuée dans Beaucoup de bruit pour rien de Shakespeare mis en scène par Jorge Lavelli. Jean Anouilh la met en scène, avec Roland Piétri, dans deux de ses pièces : Ne Réveillez pas Madame, en 1970, puis dans Colombe, en 1974, où elle tient le rôle-titre.
En 1976, son interprétation de Madame de Sade de Mishima, sous la direction de Jean-Pierre Granval de la troupe Renaud-Barrault, lui vaut le prix du Syndicat de la critique. Elle interprète également Exercices de style de Raymond Queneau pour Jacques Seiler, La Ronde d’Arthur Schnitzler pour Alfredo Arias et, sur la scène du Théâtre national de Chaillot, L’Importance d’ être constant d’Oscar Wilde pour Jérôme Savary. Avec Le Misanthrope de Molière mis en scène par Francis Huster, en 1992, elle obtient le Molière de la comédienne dans un second rôle, un prix qui lui est de nouveau décerné en 2006 pour Pygmalion de George Bernard Shaw sous la houlette de Nicolas Briançon. À partir de 1998, Danièle Lebrun joue dans plusieurs mises en scène de Christophe Lidon, notamment La Mouette de Tchekhov, L’Antichambre de Jean-Claude Brisville et Délire à deux d’Eugène Ionesco.
En 2011, Danièle Lebrun est à nouveau engagée à la Comédie-Française. Elle y retrouve Christophe Lidon pour La Visite de la vieille dame de Dürrenmatt. Sous la direction d’Alain Françon, elle joue d’abord dans La Trilogie de la villégiature de Goldoni puis dans Les Trois Soeurs de Tchekhov ; de Giorgio Barberio Corsetti dans Un chapeau de paille d’Italie de Labiche ; de Galin Stoev dans Tartuffe de Molière. Dans le cadre du festival Singulis en 2016, elle présente seule en scène L’Envers du Musical de Colette.
Au cinéma, elle tourne avec Jacques Audiard dans Un héros très discret ; avec Claude Berri dans Uranus, La Débandade et Ensemble, c’est tout ; avec Éric Rohmer dans Conte d’hiver ; avec Matthieu Kassovitz dans Assassin(s).
À la télévision, on l’a vue notamment dans Le Jeu de l’amour et du hasard, La Double Inconstance ou Les Nouvelles Aventures de Vidocq de Marcel Bluwal et dans de nombreuses fictions d’Alain Tasma, Robert Guédiguian, François Luciani, Philippe de Broca et Bernard Stora. En 2015, Valeria Bruni Tedeschi la dirige dans l’adaptation des Trois Soeurs de Tchekhov.
Pour la saison 2017-2018, Danièle Lebrun interprète E dans Poussière de et par Lars Norén et Lady Capulet dans la reprise de Roméo et Juliette de Shakespeare par Éric Ruf.
La saison 2018-2019 elle joue dans La Petite Sirène d’après Andersen par Géraldine Martineau, Les Oubliés (Alger- Paris) de et par Julie Bertin et Jade Herbulot – Le Birgit Ensemble et Hors la loi de et par Pauline Bureau.