A kezdetek
Eredeti neve Claude Joséphine Rose Cardin. Szicíliai olasz apától és francia anyától született Tuniszban. Anyanyelve a francia volt, olaszul 18 éves koráig nem is nagyon beszélt. Eredetileg tanárnak készült, de 1957-ben megnyert egy szépségversenyt Tunéziában, és ez belépőt jelentett számára a filmkarrierhez. A verseny díja egy utazás volt Velencébe, ahol az olasz filmesek azonnal felfigyeltek rá. A Vides Films hétéves szerződést kötött vele.
A Goha című filmben debütált 1958-ban, majd még ugyanabban az évben mellékszerepet kapott Mario Monicelli Ismeretlen ismerősök (I soliti ignoti) című, nemzetközi sikert aratott filmjében, amelyben Vittorio Gassman és Marcello Mastroianni is játszottak. Ebben az időszakban főleg Franco Cristaldi, a Vides producere menedzselte. (Ő állítólag 1966 és 1975 között a férje is volt.) A filmszerződés rengeteg kötöttséget rótt rá: engedély nélkül nem vágathatta le a haját, nem hízhatott meg (és nem mehetett férjhez).
Az 1960-as években már számos filmben szerepelt, főképp olasz produkciókban. Kezdetben korlátozott olasz nyelvtudása miatt szinkronizálták.
Az első komoly drámai filmszínésznői szerepet Valerio Zurlini La Ragazza con la valigia („A Lány bőrönddel”) című filmjében kapta (egyes források szerint ez 1960-ban, mások szerint 1961-ben készült). Fontos szerepet kapott Mauro Bolognini A szép Antonio (Il bell’Antonio) című alkotásában (1960), megint Marcello Mastroiannival, akivel később is gyakran játszott együtt.

Nagy európai filmek
Először 1960-ban került munkakapcsolatba Luchino Viscontival, amikor a neves rendező Rocco és fivérei című ünnepelt neorealista jellegű filmjében mellékszerepet játszott. Visconti észrevette tehetségét, és 1963-ban nekiadta A Párduc egyik főszerepét olyan nagy sztárok mellett, mint Burt Lancaster és Alain Delon.
1963 fontos év volt a pályáján. Ebben az évben játszotta el Maria szerepét Luigi Comencini Bube szerelmese (La ragazza di Bube) című filmjében, amiért Ezüst Szalag díjat nyert.
És ebben az évben dolgozhatott együtt először az olasz mozi nagymesterével, Federico Fellinivel, akitől az azóta a klasszikusok közé emelkedett film, a 8½ egyik fontos szerepét kapta. (A férfi főszereplő Mastroianni.) Ez volt az első film, amelyben olaszul szólalt meg a filmvásznon. „Amikor megérkeztem az első forgatásomra. egy szót sem tudtam beszélni (olaszul). Úgy éreztem, a Holdra kerültem. Nem értettem, miről beszélnek. És franciául beszéltem, tény, hogy szinkronizáltak. Federico Fellini volt az első, aki felhasználta a hangomat. Azt hiszem, nagyon furcsa volt a hangom” – mondta később egy interjúban.
Ez a furcsa akcentus azonban még érdekesebbé tette mint színésznőt, a Fellini-filmben játszott szerepe bár rövid, de emlékezetes volt, és ezzel az olyan nemzetközi hírű olasz női sztárok és szexszimbólumok nyomdokaiba lépett, mint Gina Lollobrigida és Sophia Loren. A francia Brigitte Bardot megjegyezte: „Már tudom, kinek az a sorsa, hogy átvegye a helyemet. BB után CC jön, nem?” Claudia azonban nem elégedett meg ezzel a szerepkörrel: mindig újra és újra bizonyította, hogy nemcsak szép nő, tehetséges színésznő is.

Hollywood
Sohasem tette kísérletet arra, hogy betörjön Hollywood világába, mivel nem szívesen hagyta el Európát hosszabb időre, de több hollywoodi filmben is szerepelt. „Ha nem vagy angol, akkor külföldi vagy – és akkor szexinek kell lenned. Régi brit klisé” – mondta Cardinale
Az első amerikai film, amelyben játszott, a Rózsaszín párduc volt, de ezt még Olaszországban forgatták, 1964-ben. Blake Edwards filmjében Dala hercegnő szerepét játszotta, hangját angolra szinkronizálták. Még ugyanebben az évben azonban már saját hangján szólalt meg angolul a vásznon, Samuel Bronston A cirkusz világa (Circus World) című filmjében.

Claudia Cardinale Párizsban él.
Saját bevallása szerint sohasem ment férjhez, de gyanítják, hogy Franco Cristaldival összeházasodtak. 1975 óta Pasquale Squitierivel él, két gyermeke van. Fia, Patrick, azután született, hogy 17 éves korában Claudiát egy francia férfi megerőszakolta (Cristaldi később örökbe fogadta). Lánya Squitieritől született. Pletykálták, hogy Claudiának a korábbi francia elnökkel, Jacques Chirackal viszonya volt.
Liberális, erős politikai nézetekkel rendelkezik, kiáll a nők és a melegek jogaiért. 1999 óta az UNESCO női jogokért felelős jószolgálati nagykövete. Több ízben fejezte ki büszkeségét tunéziai születése miatt. (Az Un été à La Goulette című tunéziai filmben szerepet is vállalt.) 2008 óta a francia becsületrend lovagja. Moi Claudia, Toi Claudia címmel önéletrajzi könyvet adott ki.