Coincidió en The Gentle Art of Seduction (1964) con Belmondo y Jean-Paul Brialy, con su hermana en un papel de reparto.

That Man from Rio y La piel suave fueron vistos ampliamente a nivel internacional y Dorleac recibió una oferta para interpretar a la protagonista femenina en una costosa epopeya financiada por Hollywood Genghis Khan (1965) dirigida por Henry Levin.

Dorleac apareció como la esposa adúltera en la comedia negra de Roman Polanski Cul-de-sac (1966) filmada en Gran Bretaña.

Luego se unió a Gene Kelly y su hermana Catherine, que ya era una estrella cinematográfica en este momento, en The Young Girls of Rochefort (1967) un colorido homenaje al musical de Hollywood.

Su papel final en la película fue la protagonista femenina en Billion Dollar Brain (1967) junto a Michael Caine quien interpretó al espía Harry Palmer.