Adolescente, Claire Doyon n'est pas encore une passionnée de cinéma. De formation littéraire, elle part à New York suivre des études théâtrales.

A 25 ans, elle décide de s'inscrire à la Fémis, dans le département réalisation, ce qui lui permet de tourner plusieurs courts-métrages. C'est avec l'un d'entre eux, LE VENT SOUFFLE OU IL VEUT, que Claire Doyon est particulièrement remarquée. Le film est primé dans plusieurs festivals, dont la Mostra de Venise. Il est également présenté au Festival de Cannes dans le cadre de la Cinéfondation, section consacrée aux films d'étudiants en cinéma. La même année, Claire Doyon filme pour ce festival la leçon de cinéma donnée par Théo Angelopoulos.

En 2003, elle retourne à Cannes pour présenter son premier long-métrage, LES LIONCEAUX, dans le cadre de la Quinzaine des réalisateurs. Un film insolite, qui met en scène de façon sensuelle et ludique des adolescents sur une île déserte, et qui révèlera notamment le comédien français Guillaume Gouix.

En 2010, Claire Doyon réalise le moyen métrage KATAÏ (première à Locarno, puis en compétition à Clermont-Ferrand et diffusé sur ARTE) dans lequel Joana Preiss interprète une actrice à la dérive qui est confrontée violemment à sa propre image

A partir de 2011, Claire Doyon multiplie les projets à mi-chemin entre documentaire et expérimentation sur des formats divers dont PENELOPE (45’, 2012), documentaire qui retrace le voyage initiatique de la réalisatrice avec sa fille atteinte d’autisme dans les contrées lointaines de la Sibérie, puis PENELOPE MON AMOUR (FID, 2021).

Par ailleurs, Claire est également fondatrice de l’institut expérimental MAIA (Maison pour l’apprentissage et l’intégration des enfants avec autisme).