Клеа ДюВалл} появилась на свет в Лос-Анджелесе 25 сентября 1977 года. В семье была единственным ребёнком. Отец Клеа был актёром, его самой запоминающейся ролью была роль Коннера Веллса в картине «Хранитель». Когда девочке было 12 лет, ее родители развелись. Когда мать повторно вышла замуж, Клеа начала самостоятельную жизнь и бросила школу, затем увлеклась миром кино и поступила в высшую школу искусств в Лос-Анджелесе. На тот момент она выучила многие сцены диалогов с различных фильмов и телевизионных программ.

В кино Клеа ДюВалл дебютировала в картине «Маленькие ведьмы», но настоящим прорывом для актрисы стала роль Стокли в ленте 1998 года «Факультет» Роберта Родригеса, где Клеа сыграла с актерами Элайджа Вудом и Джошем Хартнеттом.

Среди прочих картин с участием Клеа ДюВалл, можно выделить фильмы «Прерванная жизнь», «Жена астронавта», «Это всё она», «Неисправимые», «Призраки Марса» и «13 разговоров об одном».

В последующем у нее была работа в проектах «Идентификация», «Проект Ларами» и «21 грамм». За роль Софи в сериале «Карнавал», который шел с 2003—2005 годы по каналу HBO, Клеа получила премию «Эмми».

За это время актриса также снялась в телефильме «Helter Skelter», за роль в котором была номинирована на премию «Спутниковая награда», а также сыграла в фильме «Проклятие» вместе с Сарой Мишель Геллар. Клеа ДюВалл позже появилась с этой актрисой еще раз - в эпизоде «С глаз долой — из сердца вон» сериала «Баффи — истребительница вампиров.

Среди проектов с участием ДюВалл стоит отметить «Зодиак», «Лесбийский комитет», а также постоянную роль в сериале «Герои» канала NBC. В 2008 году вместе с Энн Хэтэуэй актриса появилась в фильме «Пассажиры».

Помимо съемок в кино, Клеа ДюВалл поработала в короткометражной ленте «Нелегко быть зеленым», в котором главные роли исполнили Карла Галло, Лейша Хейли и сама Клеа ДюВалл. Также для группы «Uh Huh Her» она участвовала в фотосессии рекламных фотографий.