Après avoir auditionné pour jouer dans La Liste de Schindler (1993), Claire Danes fait ses premiers pas de comédienne dans la série télévisée Angela, 15 ans (1994). Dans la foulée, elle débute sur grand écran en étant l'une des Quatre filles du docteur March. Séduite par sa performance, Jodie Foster l'engage aussitôt pour jouer dans son premier film en tant que réalisatrice, Week-end en famille (1995). Après être tombée amoureuse de Jude Law dans I love you, I love you not, elle se révèle véritablement auprès du grand public en 1996 : son rôle de Juliette moderne amoureuse du Roméo Leonardo DiCaprio dans le Romeo + Juliette de Baz Luhrmann lui apporte en effet la reconnaissance internationale.

Un temps pressentie pour le rôle-titre de Lolita, Claire Danes enchaîne les tournages et varie les genres cinématographiques et joue pour les plus grands cinéastes. Elle incarne ainsi une adolescente naïve dans le torturé U-Turn d'Oliver Stone (1997), donne la réplique à Matt Damon dans L'Idéaliste de Francis Ford Coppola (id.), interprète Cosette dans Les Misérables (1998) ou s'illustre dans le déjanté Mod squad (1999), adaptation cinématographique d'une série télévisée policière des années soixante.

A l'orée des années 2000, Claire Danes laisse quelque peu le cinéma de côté pour poursuivre ses études. Elle effectue son grand retour devant la caméra en 2003 en apparaissant aux côtés de Nicole Kidman, Julianne Moore et Meryl Streep, dans le drame The Hours de Stephen Daldry. Retour en force qui se confirme la même année avec sa participation à la méga production Terminator 3 : le soulèvement des machines, aux côtés d'Arnold Schwarzenegger. Toujours aussi éclectique et courtisée, l'actrice est ensuite au générique du film d'époque Stage Beauty (2005), de la comédie Esprit de famille (id.) et de l'aventure d'héroïc-fantasy Stardust, le mystère de l'étoile.