Clea Helen D'Etienne DuVall è nata il 25 Settembre del 1977 a Los Angeles.
La sua adolescenza viene segnata dal divorzio dei suoi genitori che come qualsiasi ragazzina vede come punti di riferimento. Quando sua madre decide di risposarsi, Clea lascia il liceo che stava frequentando e si trasferisce in un appartamento, vivendo da sola. Si innamora della televisione e del cinema, memorizzando intere scene e recitandole per divertimento. Da qui sboccia nella giovane Clea l'amore per la recitazione e decide di ritornare al liceo, ma cambiando indirizzo di studi. Si iscrive infatti alla Los Angeles County High School for the Arts, dove studia recitazione. Nel frattempo si mantiene lavorando presso un coffee shop.
Nel 1996 arriva l'esordio sul grande schermo, interpretando Kelsey nel film Giovani Streghe. E' un ruolo marginale, ma dà a Clea la convinzione di essere finalmente riuscita ad esaudire il suo grande sogno.
Dopo altri ruoli secondari in diversi film, nel 1998 arriva la sua grande chance con il film The Faculty di Robert Rodriguez, a fianco di un giovanissimo Elijah Wood.
Un altra grande occasione arriva nel 1999 con un ruolo molto difficile nel film drammatico Ragazze Interrotte a fianco di Angelina Jolie e Winona Ryder.
Nel corso degli anni alterna molti altri ruoli in film come La moglie dell'astronauta (1999), Committed (2000), Tredici variazioni sul tema (2001), Fantasmi da Marte (2001), ma senza ottenere ruoli di grande spessore.
Il 2003 la vede nel cast della serie tv targata HBO Carnivale dove interpreta Sofie Agnesh Bojakshiya e recita in 21 Grammi - Il peso dell'anima e in The Grudge accanto a Sarah Michelle Gellar.
Nel 2004 interpreta Linda Kasabian nel film Helter Skelter che ripercorre la carriera omicida del folle Charles Manson e della sua setta. La sua interpretazione in questo ruolo le vale una nomination ad un Satellite Award.
Nel 2007 recita in Zodiac di David Fincher e presenzia in 7 episodi della serie tv Heroes con il ruolo dell'agente Audrey Hanson.
Nel 2008 è nel cast di Passengers ed appare in diversi episodi di Grey's Anatomy, CSI e Law & Order.
2013 Premio Miglior performance dell'intero cast per Argo
1999 Candidatura Miglior rivelazione per The Faculty
2012 Recitazione
2007 Recitazione
2008 Recitazione
2007 Recitazione
Con la Tomei in arrivo anche Clea DuVall nei panni della moglie di DiGlen.