Titulaire d'un diplôme de la Los Angeles High School of Arts, Clea Duvall débute à l'écran dans le film indépendant HOW TO MAKE THE CRUELLEST MONTH, présenté en compétition au Festival de Sundance en 1998.

Dans la foulée, elle interprète, d'autres films indépendants dont LITTLE WITCHES, WILDFLOWERS, BUT I'M A CHEERLEADER, COMMITTED dont elle partage l'affiche avec Casey Affleck et Heather Graham.

Partenaire de Johnny Depp et Charlize Theron dans THE ASTRONAUT'S WIFE, Clea Duvall participe également aux séries "Urgences", "Esprits Rebelles" et "Crisis Center".