Денисов родился 17 мая 1984 года в Ленинграде. Воспитанник футбольных школ «Турбостроитель» и «Смена».

Большую часть карьеры провел в «Зените», за который выступал с 2001 по 2013 год и отыграл в общей сложности более 350 матчей. В составе петербургского клуба трижды становился чемпионом России, завоевал Кубок и дважды Суперкубок страны, выиграл Кубок УЕФА и Суперкубок Европы. Летом 2013 года Денисов стал футболистом «Анжи», а вскоре перешел в «Динамо».

Денисов признавался футболистом года по версии РФС и пять раз входил в список 33-х лучших игроков сезона. 11 октября 2008 года дебютировал за сборную России, за которую провел более 50 матчей и вошел в клуб Игоря Нетто. Был капитаном национальной команды. Участник Евро-2012 и ЧМ-2014.