Clotilde Hesme nasceu em Troyes, França, em 1979. É irmã de Annelise Hesme e de Élodie Hesme, que também são atrizes. Depois de estudar no Conservatoire National Supérieur d'Art Dramatique (CNSAD), ela apareceu em peças e foi notada por Jérôme Bonnel, que a escalou para seu filme Le Chignon d'Olga em 2002. Em 2005 ela apareceu em Regular Lovers, de Philippe Garrel. Ela foi indicada ao Prêmio César de Atriz Mais Promissora de 2008 por seu papel em Canções de Amor de Christophe Honoré. Ela ganhou o Prêmio César de Atriz Mais Promissora em 2010 pelo filme Angèle et Tony.
