Née Clémence Guichard à Meudon, d'une mère professeur de français et d'un père directeur d'une compagnie théâtrale (le Théâtre du Sable), Clémence Poésy fait ses premiers pas sur scène à l'âge de 14 ans. Elle passe sa scolarité à l'école dite nouvelle "La Source" de Meudon. Sa sœur Maëlle est aussi actrice.

Elle débute dans des productions télévisées telles La vie quand même et Tania Boréalis, et se fait remarquer dans le rôle de la fille excentrique du couple Carole Bouquet-André Wilms dans la comédie Bienvenue chez les Rozes.

Partie vivre en Angleterre, elle y tourne l'épopée historique en trois parties Gunpowder, Treason and Plot dans laquelle elle incarne la reine d'Écosse Mary Stuart aux côtés de Robert Carlyle, puis participe à la série américaine Révélations, portée par Bill Pullman et Natascha McElhone. En 2005, elle interprète la magicienne française Fleur Delacour, qui affronte Harry Potter, joué par Daniel Radcliffe lors du "Tournoi des Trois Sorciers" dans Harry Potter et la Coupe de Feu signé Mike Newell. Elle hésite d'abord, se pensant trop âgée pour ce rôle car elle a 22 ans alors que son personnage n'en a que 17. Ce rôle lui a permis d'acquérir une notoriété internationale. Parfaitement bilingue, elle doit s'efforcer, dans la version originale, de parler anglais avec un fort accent français. Toutefois, elle a failli ne jamais interpréter Fleur Delacour, car dans Bienvenue chez les Rozes, à tout juste 20 ans, elle joua une scène à demi-nue, ce qui a beaucoup embarrassé les producteurs d'Harry Potter et la Coupe de feu, film destiné principalement à la jeunesse. Malgré cela, elle fut prise pour son talent d'actrice.