Aînée des quatre filles de Jean-Claude Courau et de Catherine du Pontavice, Clotilde Courau est née le 3 avril 1969 à Levallois-Perret. Elle a épousé religieusement, à Rome, le 25 septembre 2003, le prince Emmanuel-Philibert de Savoie, Prince de Venise, Prince de Piémont, fils du prince Victor Emmanuel de Savoie, Prince de Naples, duc de Savoie et de Marina Doria. De son union avec Emmanuel-Philibert de Savoie, elle a deux filles: les princesses Vittoria et Luisa de Savoie, nées en 2003 et 2006.
Elle a débuté sa longue carrière d'actrice en 1990 en décrochant le rôle féminin principal du Petit criminel, de Jacques Doillon, recevant dans la foulée un prix au Festival Européen de Berlin et une nomination pour le César du Meilleur espoir féminin. Pour l'année 2015, elle est déjà à l'affiche deux films: l'Ombre des femmes et l'échappée Belle.
Côté théâtre, elle incarne actuellement Piaf, l’être intime, accompagnée de
l’accordéoniste Lionel Suarez, en tournée province, pièce dont elle a assure la mise en scène.