Formée dans plusieurs écoles dont le cours Simon, le cours Florent et l’École de la rue Blanche, Clotilde Courau débute au théâtre en 1988. Elle y mène un prolifique parcours, de Lorenzaccio de Musset, mis en scène par Francis Huster au Théâtre Renaud-Barrault, aux Justes de Camus, mis en scène par Abd Al Malik au Théâtre du Chatelet (2019). Ses prestations sur les planches lui ont permis aussi d’aborder la comédie musicale, notamment sous la direction de Jérôme Savary avec Irma la Douce, de 2000 à 2002.
Clotilde Courau débute au cinéma en 1990 en interprétant la sœur du Petit criminel pour Jacques Doillon, ce qui lui vaut de remporter le prix du cinéma européen de la meilleure actrice et d’être nommée au César du meilleur espoir féminin. L’Académie des Arts et Techniques du Cinéma la cite également dans cette catégorie (et celle du meilleur second rôle) pour Élisa (1995) de Jean Becker. Cette même année, la jeune actrice tourne L’appât de Bertrand Tavernier (dont le premier rôle est tenu par Marie Gillain) et gagne le prix Suzanne-Bianchetti, cinq ans avant de décrocher le prix Romy-Schneider.
Clotilde Courau est ensuite à l’affiche de Fred (1997) de Pierre Jolivet et d’autres films dont Embrassez qui vous voudrez (2002) de Michel Blanc. Elle semble suspendre les tournages après son mariage avec Emmanuel-Philibert de Savoie qui fait d’elle la princesse Clotilde de Savoie. Mais elle reste active à la scène et contrairement à Grace Kelly, poursuit sa carrière d’actrice.
On la revoit dans La Môme (2007) d’Olivier Dahan et surtout L’ombre des femmes (2015) de Philippe Garrel pour lequel elle est nommée au prix Lumières de la meilleure actrice et gagne le prix d’interprétation féminine au Festival de Séville. Clotilde Courau tient ensuite des seconds rôles dans Une fille facile (2019) de Rebecca Zlotowski et Benedetta (2021) de Paul Verhoeven, présenté en compétition officielle au Festival de Cannes.
