Dès son plus jeune âge, Claire Keim se passionne pour le chant et l'art dramatique. Forte de son passage au Cours Florent, l'adolescente décroche un rôle dans la comédie musicale de Jean-Jacques Debout, Paul et Virginie. Sa voix suave lui permet de chanter, en 1992, le générique de la saga d'été à succès de TF1, Les coeurs brûlés. Ses premiers pas devant la caméra, elle les fait pour le film L'incruste, d’Emilie Deleuze.
Tout au long de sa carrière, Claire Keim se partage entre télévision, théâtre, cinéma et musique. Dotée d'un physique avantageux, elle interpréte souvent les jolies filles dans des rôles secondaires (Les yeux d'Hélène, La Belle Verte, Barracuda, Oui, Le Roi danse,...), mais sait aussi étoffer son jeu pour des personnages plus sombres (J'irai au paradis car l'enfer est ici, Le Sens des affaires). Marc Lavoine la choisit en 2001 pour interpréter avec lui le titre "Je ne veux qu'elle". C'est une autre saga d'été de TF1, Zodiaque, en 2004, qui la fait connaître auprès du grand public. Dans la peau d'Esther Delaître, elle collabore avec Francis Huster pour démasquer un tueur qui signe ses crimes d'un dessin d'un anneau du zodiaque. Le succès est tel qu'une suite, Le maître du Zodiaque, voit le jour deux ans plus tard.
Très appréciée des téléspectateurs, Claire Keim est contactée par M6 pour tenir la tête d'affiche de sa mini-série, Eternelle, sur une mystérieuse jeune femme amnésique dotée d'étranges pouvoirs. En 2011, la comédienne sort son premier album, "Où il pleuvra", suivi d'une tournée dans quelques villes. Dans Les Edelweiss, elle demande à un moniteur de se ski de se faire passer pour son fiancé auprès de sa famille. Après la comédie, Claire Keim participe notamment au thriller Insoupçonnable avec Emmanuelle Seigner, adaptation de la série britannique The Fall. Pour l'occasion, elle devient l'épouse de Melvil Poupaud, lequel joue un effroyable tueur en série/père de famille. Le public la retrouve quelques mois plus tard dans Infidèle (adaptée de Docteur Foster), sur un médecin qui découvre que son mari la trompe.