Clotilde Courau est la fille de Jean-Claude Courau, ingénieur, et de Catherine du Pontavice, institutrice dans les Hauts-de-Seine. Elle passe son enfance avec ses parents et ses trois sœurs, Christine, Camille et Capucine, entre l'Égypte et le Bénin.
Clotilde Courau au défilé de la collection haute couture automne-hiver 2009/2010 de Jean Paul Gaultier à Paris le 6 juillet 2009. En 1985, âgée de 16 ans, elle abandonne ses études et décide de devenir comédienne. Elle s'inscrit au Cours Simon, au Cours Florent, à l'École de la rue Blanche (École nationale supérieure des arts et techniques du théâtre, ENSATT), ainsi qu'à l'Atelier international de théâtre, à Paris, tout en faisant des petits boulots et débute au théâtre dans la compagnie Francis Huster aux côtés, notamment, de Cristiana Reali, Valentine Varela, Valérie Crunchant, Estelle Skornik, et Olivier Martinez.
En 1990, elle fait ses premiers pas au cinéma avec Le Petit Criminel de Jacques Doillon, pour lequel elle est récompensée du Prix de la meilleure actrice au Festival international du film de Berlin (Berlinale) et une nomination pour le César du meilleur espoir féminin.
En 1995, elle tourne dans Élisa de Jean Becker et reçoit le Prix de la Société des auteurs et compositeurs dramatiques (prix de la SACD), ainsi que deux nominations pour les César du cinéma (meilleur espoir féminin et meilleure actrice dans un second rôle).
Elle reçoit en 1995 le Prix Suzanne-Bianchetti (jeune actrice la plus prometteuse) et en mars 2000 le Prix Romy-Schneider (meilleur espoir féminin du cinéma français).
Elle partage un temps la vie de l'acteur Guillaume Depardieu, puis elle épouse Emmanuel-Philibert de Savoie (1972) le {{Date}} à la basilique Sainte-Marie-des-Anges-et-des-Martyrs à Rome. Elle donne naissance à Vittoria le {{Date}} à Genève et à Luisa le {{Date}}, toujours à Genève.
Elle continue depuis sa carrière d'actrice et de comédienne avec succès entre l'Italie et la France.
Le {{Date}}, elle annonce dans les colonnes du Parisien qu'elle sera meneuse de revue au Crazy Horse du 19 au {{Date}}.
En 2011, elle s'engage dans un projet musical en devenant chanteuse interprète des textes de Bertrand Soulier.