Claude Josephine Rose Cardinale néven született Tuniszban szicíliai szülők legkisebb gyermekeként. Anyanyelve a francia és a tunéziai arab, édesapjától megtanulta a szicíliai nyelvjárást is. Az irodalmi olaszt viszont csak 18 éves korára sajátította el és a mai napig nem beszéli tökéletesen - különleges akcentusa nagyban hozzájárult szexszimbólummá válásához.

Szülei úgy gondolták, hogy lányukat tanári pályára küldik, de Claudia inkább a színpadra vágyott. Tizennyolc éves korában szépségversenyt nyert, és "a legszebb tuniszi olasz lányt" hamarosan az olasz film fővárosába, a Cinecittába csábították. A szerződésben azonban kemény feltételek szerepeltek: nem vághatta le derékig érő haját, nem hízhatott, nem mehetett férjhez és nem szülhetett gyereket. A kontraktus miatt 19 évesen, házasságon kívül született gyermekéről azt kellett állítania, hogy az a testvére, az igazság csak tíz évvel később derült ki.

Első rajongója és felfedezője, Franco Cristaldi producer minden filmjében szerepeltette, sőt néhány év múlva feleségül is vette. Cardinale a statisztaszerepek után gyorsan komolyabb felkéréseket kapott, de ekkoriban még nem beszélhetett saját hangján: akcentusa és megjelenésével éles ellentétben álló mély hangja miatt sokáig szinkronizálták. Rövidesen olyan rendezőkkel dolgozott, mint Mauro Bolognini (A szép Antonio - 1960), Luchino Visconti (Rocco és fivérei - 1960, A párduc - 1963).

Szép lányok, asszonyok megszemélyesítőjeként világszerte ismert sztár lett, és már a rendezők tartották megtiszteltetésnek, ha szerződtethették. Kedvenc direktora Fellini volt, akiről halála után is rajongva nyilatkozott. Õk ketten remekül kijöttek, olyannyira, hogy Fellini volt az első, aki a Nyolc és fél című alkotásban nem szinkronizáltatta a színésznő olasz hangját. Cardinalénak ez a film lett az útlevele Hollywoodba, ekkor már olyan dívákkal emlegették egy lapon, mint Brigitte Bardot vagy Sophia Loren, egy ideig Amerika és az öreg kontinens között ingázva élt.

Számos francia film főszerepét is eljátszotta, ezek közé tartozott a Magyarországon is hatalmas sikert aratott Cartouche (1961), az Olajkeresők (1972), az Öt láda aranyrög (1982). A Szovjetunióban is forgatott: 1970-ben Mihail Kalatozov rendezésében A jégsziget foglyai főszerepét játszotta. A pályája csúcsán már csak C.C.-ként emlegetett színésznőt a legtöbben minden bizonnyal Sergio Leone klasszikus westernjében, a Volt egyszer egy vadnyugatban látták, ahol egy volt prostituáltat alakított.

A hetvenes évek közepén elvált felfedezőjétől, Cristalditól, és rövidesen Pasquale Squiteri filmrendezővel költözött össze. Vele a mai napig harmonikus kapcsolatban él, lányuk, Claudia 1979-ben született. Squiterivel forgatott két közös filmjük - Corleone és a Vasprefektus - sikere után a színésznő karrierje csaknem végveszélybe került. Az 1984-es, Mussolini szeretőjéről forgatott Claretta nemcsak megbukott, óriási politikai botrányt is kavart. A szép Cardinale egy csapásra kegyvesztett lett, a filmszakma kiközösítette, munka híján Párizsba költözött, ahol jelenleg is él. A kétéves kényszerszünet után francia vígjátékokban és olasz tévéfilmekben szerepelve tért vissza.

Egyszer azt mondta, számára mindig fontos volt, hogy titokzatosnak tartsák, sem a belső énjét, sem a testét sohasem fedte fel a vásznon. És valóban, Claudia Cardinalét, hiába számított szexszimbólumnak, egyik filmjében sem lehetett látni ruha nélkül vagy ágyjelenetekben. Viszont az is igaz, hogy a hatvanas évek közepén nagy vihart kavart, amikor forrónadrágban jelent meg a pápai audiencián.

Cardinale manapság is dolgozik, számos jótékonysági akcióban vesz részt, kiáll a nők jogaiért, az UNESCO női jogokért felelős jószolgálati nagykövete. 2008-ban a Becsületrend lovagja lett, bár ezt beárnyékolta a pletyka, amely szerint viszonya volt Jacques Chirac korábbi francia államfővel. Pályafutása során számos díjjal jutalmazták, az egyik legrangosabb a 2002-es Berlinale Arany Medve életműdíja. A színésznő Moi Claudia, Toi Claudia címmel 1995-ben önéletrajzi könyvet adott ki.