Chloë Stevens Sevigny est née à Springfield, dans le Massachusetts{{,}}{{,}} et a grandi dans la ville de Darien, dans le Connecticut avec ses parents, Janine Malinowski, américaine d'origine polonaise et H. David Sevigny, un comptable d'origine canadienne française, reconverti comme peintre en bâtiment (et mort en 1996 d'un cancer). Elle a également un frère, Paul, qui est maintenant DJ à New York. Elle a été élevée dans la religion catholique{{,}}{{,}}.
Elle a souvent passé les étés à participer à des camps de théâtre, avec des premiers rôles dans des pièces gérées par la YMCA et a toujours aspiré à être actrice et fut scolarisée à la {{lien}}.
Quand elle était lycéenne, elle a fait du baby-sitting en gardant l'acteur Topher Grace et sa jeune sœur.
Mais étouffée par l’environnement très conservateur de Darien, Chloë devient une adolescente rebelle, passant ses week-ends à New York, où elle fréquente les raves et les skateurs du Washington Square de Manhattan{{,}} Elle a ouvertement admis avoir expérimenté des drogues à l'adolescence et s'est souvent décrite comme une « solitaire » et une « adolescente déprimée » et a même été envoyée par ses parents aux Alcooliques anonymes. Sa seule activité parascolaire était de faire du skateboard avec son frère aîné et passer la plupart de son temps libre dans sa chambre.
À 18 ans, elle déménage dans un appartement à Brooklyn. En 1993, elle est repérée dans une rue d'East Village par une rédactrice en chef du Sassy Magazine, qui a été tellement impressionnée par le style de la jeune femme qu'elle lui a demandé de faire un stage au magazine. Ses diverses collaborations artistiques et dans le milieu de la mode la font devenir une « It Girl » (terme désignant tout à la fois l'égérie de créateurs branchés et l'influence d'une personne sur la scène artistique).
Par la suite, elle apparaît sur la couverture du EP Full-On Bloom, de {{lien}}, ainsi que dans un rôle dans un clip de Lemonheads.
En 1995, elle fait ses débuts au cinéma grâce à son compagnon de l'époque, Harmony Korine, rencontré au Washington Square Park. Malgré son inexpérience cinématographique professionnelle, Chloë obtient son tout premier rôle dans le film Kids, réalisé par Larry Clark et dont le scénario est écrit par Korine, pour lequel était initialement pressentie l'actrice Mia Kirshner. Film controversé en raison de son sujet, Kids fait beaucoup de bruit et permet à Sevigny d'attirer l'attention d'autres réalisateurs américains exigeants.
Elle enchaîne les films comme Trees Lounge, de Steve Buscemi et aussi Les Derniers jours du disco, de Whit Stillman, dans lequel elle partage la vedette avec Kate Beckinsale, méconnue du grand public à l'époque et qui a obtenu de bonnes critiques et le statut de film culte{{,}}, malgré le peu de succès obtenu en salles.
En dehors du cinéma, elle joue dans Hazelwood Junior High, pièce de théâtre jouée off-Broadway.
C'est ainsi qu'elle joue dans Boys Don't Cry de Kimberly Peirce pour lequel elle est nommée à l'Oscar et au Golden Globe dans la catégorie meilleure actrice de second rôle. Sa partenaire dans le film, Hilary Swank, remportera l'Oscar de la meilleure actrice pour sa prestation. Elle tourne également avec Harmony Korine dans les films Gummo (1997) et Julien Donkey-Boy et devient ainsi une actrice incontournable du cinéma indépendant américain. Elle acquiert petit à petit une renommée internationale grâce à ses collaborations avec (entre autres) le réalisateur français Olivier Assayas (Demonlover), le danois Lars von Trier (Dogville, Manderlay), le new-yorkais Woody Allen (Melinda et Melinda) ou l'indienne Mira Nair (Un nom pour un autre). En 2003, elle suscite la polémique avec une scène de fellation non simulée dans le film The Brown Bunny, réalisé par Vincent Gallo.
De 2006 à 2011, elle joue dans la série Big Love le rôle de Nicolette Grant sur la chaîne HBO. Le succès de la série lui permet de décrocher le Golden Globe de la meilleure actrice dans un second rôle dans une minisérie, série ou téléfilm en 2010. Elle apparaît aussi en 2006 dans le remake d'un film de Brian De Palma (Sisters).
L'année suivante, elle incarne la compagne de Jake Gyllenhaal dans le thriller Zodiac, de David Fincher, avant de tourner sous la direction de Werner Herzog (Dans l'œil d'un tueur) deux ans plus tard.
L'actrice revient sur le petit écran en 2012 dans la série britannique Hit and Miss. Elle y joue une transsexuelle tueuse à gage sous la direction de Paul Abbott (Shameless). La première saison compte six épisodes.
En 2012, Chloë obtient un rôle récurrent dans la série horrifique de Ryan Murphy, American Horror Story, dans laquelle elle interprète le rôle d'une nymphomane. Elle est de retour à l'automne 2015 pour la cinquième saison intitulée American Horror Story : Hotel.