Fille des acteurs Alexandra Lamy et Thomas Jouannet, Chloé Jouannet baigne depuis sa plus tendre enfance dans un univers artistique et rêve de suivre les traces de ses parents au cinéma.

Alors qu’elle n’a que 12 ans, elle fait ses débuts avec un petit rôle dans Lucky Luke aux côtés de sa mère et de Jean Dujardin. Mais c’est en 2013 que la jeune comédienne se fait remarquer en décrochant son premier grand rôle dans la comédie dramatique de Rose Bosch, Avis de Mistral, aux côtés de Jean Reno et Charlotte de Turckheim. Sa performance d’adolescente rebelle est saluée par la presse et le public.  

Rapidement, Chloé Jouannet commence à se faire un pénom en tant que comédienne. Elle rejoint la distribution de la série Riviera avec Julia Stiles, et s’essaye au théâtre dans Les Monologues du Vagin en mars 2018. La même année, elle fait son retour sur le grand écran dans Le Gendre de ma vie, où elle donne la réplique à Kad Merad. 

La jeune actrice obtient son premier rôle à la télévision française, en 2019, en devenant l’une des têtes d’affiche de la série Infidèle, une production portée par Claire Keim et Jonathan Zaccaï, dans laquelle elle prête ses traits à la jeune Candice, qui a une relation avec un homme marié. En octobre 2020, elle devient Lola Bouvier, star déchue du patinage artistique à l’égo surdimensionné, qui décide de devenir "la plus grande championne de Roller Derby de tous les temps" en intégrant, malgré elle, l’une des plus mauvaises équipes de l’Hexagone. La série Derby Girl est disponible sur la plateforme France.tv Slash.

Les téléspectateurs de TF1 la découvrent en mai 2021 dans la peau d'Alice Morgan, une psychopathe qui entretient une relation particulière avec Théo Luther (Christopher Bayemi), capitaine de police à la brigade criminelle de Paris. Dans cette adaptation de la série britannique Luther, elle succède à Ruth Wilson, son alter-ego de la version originale. Jean-Jacques Annaud lui confie ensuite le rôle de Marianne dans son Notre-Dame brûle retraçant les événements liés au terrible incendie de la cathédrale.