Fille d'Alain Cavalier et de la monteuse Denise de Casabianca.

Devant la caméra, Camille de Casabianca a débuté en 1980 sous la direction de son père dans Un etrange voyage dont elle a aussi co-signée le scénario. Six ans plus tard, elle co-écrit le scénario de Thérèse avec celui-ci. Entre temps, elle tourne notamment pour Samuel Fuller en 1984 dans l'un de ses derniers films, Les Voleurs de la nuit, ou encore avec Patrick Schulmann en 1985 dans P.R.O.F.S.

En 1986, après avoir déjà réalisé plusieurs courts métrages, elle se lance dans le long avec Pékin central. Fascinée par le cinéma direct, elle raconte une histoire de voyage en Chine autour de trois personnages en utilisant les moyens du cinéma direct. Elle obtient même le concours de Raymond Depardon en chef opérateur.

Après avoir signé plusieurs comédies, Le Fabuleux Destin de Mme Petlet en 1995 et Vive nous! en 2000, la réalisatrice se penche vers le documentaire en s'intéressant à la préparation des judokas de l'équipe de France avant les Mondiaux de 2001 dans le film Tatami sorti sur les écrans français en 2003. Elle apparaît ensuite dans Le Filmeur de son père puis signe C'est parti qui retrace la naissance et l'évolution du N.P.A. En 2013, Camille de Casabianca réalise L'Harmonie Familiale où elle fait tourner Philippe Caubère. En 2019, avec Ça marche !?, elle revient au documentaire avec une plongée dans le mouvement En Marche.