Denise vient d’une famille juive de la bourgeoisie parisienne. Après des études de psychologie, elle découvre la photographie grâce àJean Boucher, professeur aux Beaux-Arts. Ils rejoignent l’agence Alliance Photo, créée par Maria Esner en 1934. Denise se marie deux fois et a trois enfants, dont deux filles qui feront carrière dans le cinéma. Proche des surréalistes et passionnée par leurs travaux, Bellon photographie plusieurs de leurs expositions.
Son œuvre est colossal : plus de 22 000 clichés constitués non seulement de portraits, devenus célèbres, d’intellectuels et d’artistes, de scènes quotidiennes, mais également le fruit de nombreux reportages. Bellon explore les pays scandinaves, la Tunisie, le Maroc, l’Afrique Occidentale Française, en compagnie de Kessel, dont elle rapporte des photos émouvantes de la vie quotidienne, des portraits de femmes, d’enfants, de groupes : l’artiste place toujours l’être humain au centre de son œuvre. Bellon travaille pour des périodiques comme Match, Vu.
Plusieurs expositions lui rendent hommage, elle participe àune exposition internationale de la photographie contemporaine, et Chris Marker réalise un film documentaire sur elle en 2001.