Chloë Stevens Sevigny est née à Springfield, dans le Massachusetts,,et a grandi dans la ville de Darien, dans le Connecticut avec ses parents, Janine (née Malinowski), américaine d'origine polonaise et H. David Sevigny (décédé en 1996 d'un cancer ), un comptable d'origine canadienne française, reconverti comme peintre en bâtiment . Elle a également un frère, Paul, qui est maintenant DJ à New York. Elle a été élevée dans la religion catholique romaine,,.
Elle a souvent passé les étés en participant à des camps de théâtre, avec des premiers rôles dans des pièces géré par la YMCA et a toujours aspiré à être actrice et fut scolarisé à la Darien High School.
Quand elle était lycéenne, elle a fait du baby-sitting en gardant l'acteur Topher Grace et sa jeune soeur.
Mais étouffée par l'environnement très conservateur de Darien et par les rêves trop conventionnels de ses pairs, Chloë devient une adolescente rebelle, passant ses week-ends à New York, où elle fréquente les raves et les skateurs du Washington Square de Manhattan, Elle a ouvertement admis à avoir expérimenté des drogues à l'adolescence et s'est souvent décrite comme une « solitaire » et une « adolescente déprimée » et a même été envoyée par ses parents aux Alcooliques Anonymes. Sa seule activité parascolaire était de faire du skateboard avec son frère aîné et passa la plupart de son temps libre dans sa chambre.
À 18 ans, elle déménage dans un appartement à Brooklyn. En 1993, elle est repérée dans une rue d'East Village par une rédactrice en chef du Sassy Magazine, qui a été tellement impressionné par le style de la jeune femme et qu'elle lui a demandé de faire un stage au magazine. Ses diverses collaborations artistiques et dans le milieu de la mode la font devenir une « It Girl » (terme désignant tout à la fois l'égérie de créateurs branchés et l'influence d'une personne sur la scène artistique).
Par la suite, elle apparaît dans la couverture du EP Full-On Bloom, de Gigolo Aunts, ainsi qu'un rôle dans un clip de Lemonheads.
En 1995, elle fait ses débuts au cinéma grâce à son compagnon de l'époque, Harmony Korine, rencontré au Washington Square Park. Malgré son inexpérience cinématographique professionnelle, Chloë obtient son tout premier rôle dans le film Kids, réalisé par Larry Clark et dont le scénario est écrit par Korine, qui était initialement pressentie pour l'actrice Mia Kirshner. Film controversé en raison de son sujet, Kids fait beaucoup de bruit et permet à Sevigny d'attirer l'attention d'autres réalisateurs américains exigeants.
Elle enchaîne les films comme Trees Lounge, de Steve Buscemi et aussi
Les Derniers jours du disco, de Whit Stillman, dans lequel elle partage la vedette avec Kate Beckinsale, alors méconnue du grand public à l'époque et qui a obtenu de bonnes critiques et le statut de film culte, malgré le peu de succès obtenu en salles.
En dehors du cinéma, elle joue dans Hazelwood Junior High, pièce de théâtre jouée off-Broadway.
C'est ainsi qu'elle joue dans Boys Don't Cry de Kimberly Peirce pour lequel elle est nommée à l'Oscar et au Golden Globe dans la catégorie meilleure actrice de second rôle. Sa partenaire dans le film, Hilary Swank, remportera l'Oscar de la meilleure actrice pour sa prestation. Elle tourne également avec Harmony Korine dans les films Gummo (1997) et Julien Donkey-Boy et devient ainsi une actrice incontournable du cinéma indépendant américain. Elle acquiert petit à petit une renommée internationale grâce à ses collaborations avec (entre autres) le réalisateur français Olivier Assayas (Demonlover), le danois Lars von Trier (Dogville, Manderlay), le new-yorkais Woody Allen (Melinda et Melinda) ou l'indienne Mira Nair (Un nom pour un autre). En 2003, elle suscite la polémique avec une scène de fellation non simulée dans le film The Brown Bunny, réalisé par Vincent Gallo.
Depuis 2006, elle joue dans la série Big Love le rôle de Nicolette Grant sur la chaîne HBO. Le succès de la série lui permet de décrocher le Golden Globe de la meilleure actrice dans un second rôle dans une minisérie, série ou téléfilm en 2010. La même année, elle joue dans le remake d'un film de
Brian de Palma (Sisters).
L'année suivante, elle incarne la compagne de Jake Gyllenhaal dans le
thriller Zodiac, de David Fincher, avant de tourner sous la direction de Werner Herzog (My Son, My Son, What Have Ye Done) deux ans plus tard.
Ce n'est qu'en 2010 qu'elle fait son véritable retour au cinéma avec Barry Munday et Mr. Nice.