Lorsque Claire Keim voit le jour le 8 juillet 1975 à Senlis, d'un père architecte et d'une mère dentiste, rien ne la prédestine à devenir artiste. Pourtant, dès l'adolescence, elle rêve de devenir comédienne.

Alors après une rencontre providentielle avec l'actrice Catherine Jacob qui la pousse à écouter son intuition, Claire Keim décide à 17 ans de s'inscrire au Cours Florent. Toutefois, elle abandonne rapidement l'école, préférant se présenter spontanément aux auditions. Jean-Jacques Debout, séduit par son talent et sa détermination lui offre le rôle principal de sa nouvelle comédie musicale, Paul et Virginie.

Forte de cette première expérience, Claire Keim rejoint le casting des Coeurs Brûlés, la suite de la saga d'été Les Yeux d'Hélène, aux côtés de Mireille Darc et Jean-Pierre Bouvier. Elle enchaîne ensuite les rôles au cinéma (Oui d'Alexandre Jardin, Le Roman de Lulu de Pierre-Olivier Scotto, Le Roi Danse de Gérard Corbiau), au théâtre (Le Libertin, avec Bernard Giraudeau) ou encore à la télévision dans la série Le Juge est une femme où elle rencontrera son compagnon de l'époque, Frédéric Diefenthal.
En 2001, Claire Keim décide de tenter sa chance dans la musique, sa seconde passion. Elle enregistre un duo avec Marc Lavoine, Je ne veux qu'elle, qui devient un succès populaire.
Trois plus tard, Claire Keim retrouve le genre qui l'avait lancée : la saga d'été. En tournant la série Zodiaque, puis sa suite deux ans plus tard, aux côtés de Francis Huster, la jeune actrice s'installe définitivement dans le coeur des Français.

Parallèlement à ses carrières d'actrice et de chanteuse, Claire Keim est très investie dans de nombreuses causes humanitaires, dont la Fondation Nicolas Hulot depuis 2004 et les Enfoirés, depuis 2005.

Compagne de l'ancien footballeur Bixente Lizarazu, Claire Keim est maman d'une petite Uhaina (qui signifie vague en basque), née le 23 août 2008.

Filmographie :
2008 : Annie Girardot, Ainsi va la vie, de Nicolas Baulieu (TV)
2007 : Caravaggio, d'Angelo Longoni (TV)
2007 : Un admirateur secret, de Christian Bonnet (TV)
2007 : La vie à une, de Frédéric Auburtin (TV)
2007 : Éternelle, de Didier Delaitre (TV)
2006 : Störtebeker, de Miguel Alexandre (TV)
2006 : Le Maître du Zodiaque, de Claude-Michel Rome (TV)
2005 : À la poursuite de l'amour, de Laurence Katrian (TV)
2004 : Zodiaque, de Claude-Michel Rome (TV)
2004 : Petits mythes urbains, de David T. Reilly et Nick Stillwell (TV)
2004 : Les Aventures extraordinaires de Michel Strogoff, d'Alexandre Huchez (TV)
2004 : Les mythes urbains, de Dominic Bachy
2004 : La Ferme se rebelle, de Will Finn
2003 : En territoire indien, de Lionel Epp
2003 : Good dog, d'Antoine Raimbault (court-métrage)
2003 : Calypso is like so, de Bruno Collet (court-métrage)
2003 : Un homme par hasard, d'Edouard Molinaro (TV)
2003 : Entrusted, daddy, de Giacomo Battiato (TV)
2002 : Féroce, de Gilles de Maistre
2002 : Le jeune Casanova, de Giacomo Battiato (TV)
2002 : Le secret de la belle de mai, de Patrick Volson (TV)
2002 : Traquée, de Steve Suissa (TV)
2001 : Le roman de Lulu, de Pierre-Olivier Scotto
2001 : Ripper, de John Eyres
2001 : Juliette : service(s) compris, de Jérôme Foulon (TV)
2001 : Monstres & Cie (voix)
2000 : The girl, de Sande Zeig
2000 : Le Sens des affaires, de Guy-Philippe Bertin
2000 : Le Roi danse, de Gérard Corbiau
1999 : Matrimoni, de Cristina Comencini
1999 : Vérité oblige, de Jacques Malaterre (TV)
1999 : Juliette, de Jérôme Foulon (TV)
1999 : Le Juge est une femme, de Thierry Aguila (TV)
1998 : Donne in bianco, de Tonino Pulci
1997 : Bonjour Antoine, de Radu Mihaileanu (TV)
1997 : Highlander, de Ray Austin (TV)
1997 : J'irai au paradis car l'enfer est ici, de Xavier Durringer
1997 : Barracuda, de Philippe Haim
1996 : La dernière fête, de Pierre Granier-Deferre (TV)
1996 : Cubic, de Thomas Chabrol (TV)
1996 : Je m'appelle Régine, de Pierre Aknine (TV)
1996 : La Belle Verte, de Coline Serreau
1996 : Oui, d'Alexandre Jardin
1995 : Au petit Marguery, de Laurent Bénégui
1994 : Tour Eiffel, de Veit Helmer (court-métrage)
1994 : L'incruste, d'Émilie Deleuze
1994 : Bout d'essai, de Frédéric Darie (court-métrage)
1994 : Les Yeux d'Hélène, de Jean Sagols (TV)
1994 : Le Juge est une femme, de Thierry Aguila (TV)