A filmcsillag Claude Joséphine Rose Cardinale néven 1938. április 15-én Tuniszban született, szicíliai emigráns szülők legkisebb gyermekeként, anyanyelve a francia, a tunéziai arab és az olasz szicíliai nyelvjárása. Szülei lányukat tanári pályára szánták, de Claudia inkább a színpadra vágyott. Tizennyolc éves korában megnyerte a tunéziai olasz filmhét alkalmából rendezett „legszebb tuniszi olasz lány” szépségversenyt. Jutalomként a velencei filmfesztiválra utazhatott, ahol több producer is felfigyelt rá és az olasz film fővárosába, a Cinecittába csábították.

Első rajongója és felfedezője, Franco Cristaldi producer minden filmjében szerepeltette, néhány év múlva feleségül is vette. Cardinale a statisztaszerepek után komolyabb felkéréseket is kapott, de ekkoriban még nem beszélhetett a 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), majd A párduc című alkotásában (1963) is fontos szerepet bízott rá Alain Delon oldalán, 1962-ben a Cartouche című francia-olasz kalandfilmben szerepelt Jean-Paul Belmondo partnereként.

A pályája csúcsán már csak C. C.-ként emlegetett színésznőt a legtöbben minden bizonnyal Sergio Leone 1968-as klasszikus spagetti-westernjében, a Volt egyszer egy vadnyugatban látták, ahol egy volt prostituáltat alakított. A hetvenes évek közepén elvált felfedezőjétől, Cristalditól, és rövidesen Pasquale Squitieri filmrendező lett a társa, akivel négy évtizeden át, a férfi 2017-ben bekövetkezett haláláig élt harmonikus kapcsolatban, 1979-ben lányuk született. Squitierivel forgatott két közös filmjük – Corleone, Vasprefektus – sikere után a színésznő karrierje megbicsaklott, mert az 1984-es, Mussolini szeretőjéről, a vele együtt kivégzett Claretta Petacciról forgatott Claretta óriási politikai botrányt kavart.

Az új évezred elején a színpadon is kipróbálta magát, előbb Párizsban lépett a világot jelentő deszkákra, majd Olaszországban is tett egy színházi turnét, Luigi Pirandello egyik darabjával. 2010-ben a Signora Enrica című filmben egy idős olasz nőt alakított, aki egy török cserediákot fogad be, 2012-ben Jeanne Moreau partnere volt a Gebo és az árnyék című, a kritika által rendkívül kedvezően fogadott filmdrámában. 2014-ben az Emma Thompson által rendezett Effie Gray című történelmi drámában, a következő évben a habkönnyű amerikai Minden út Rómába vezet című romantikus komédiában vállalt szerepet. Pályafutása során számos díjjal jutalmazták, az egyik legrangosabb a 2002-es Berlinale Arany Medve életműdíja.

Claudia Cardinale Erdélybe is ellátogatott 2009-ben, amikor Kolozsváron, a Transilvania Nemzetközi Filmfesztivál (TIFF) díszvendége volt. Ez alkalommal Florin Piersic színésszel együtt életműdíjat vehetett át.