Claire Denis est fille d'un administrateur colonial, et de ce fait, a grandi en Afrique, notamment au Cameroun, au Burkina Faso et à Djibouti. Elle fait ses études à l'IDHEC dont elle sort diplômée en 1972. Elle devient ensuite assistante metteur en scène, notamment sur deux films de
Robert Enrico :
Le Vieux Fusil (1975) et L'Empreinte des géants (1980). Elle travaillera également à cette époque avec
Jacques Rivette. Deux autres grands réalisateurs marqueront ses débuts. D'une part
Wim Wenders, qui la choisit comme assistante pour
Paris, Texas (1984) puis pour Les Ailes du désir (1987). En 1986, elle travaillera d'autre part avec
Jim Jarmusch pour
Down by Law.
Poussée par ces expériences et les encouragements de Wenders, elle écrit et réalise son premier film très autobiographique,
Chocolat en 1988, marqué par son enfance au Cameroun. Suivront de nombreux films d'auteur, souvent attachés à la description du désir (comme
Beau Travail ou
Vendredi soir) et de l'amour dans toute sa violence (comme
Trouble Every Day), et où la musique tient une place importante (collaboration avec Tindersticks ou Dickon Hinchliffe seul).
En 2005, elle a été membre du jury du Festival de Venise. Elle est également professeur à la Fémis.
Claire Denis a aussi collaboré avec le groupe américain Sonic Youth, en réalisant le clip de leur chanson Incinerate, issue de l'album Rather Ripped (2006).