Clemence Poesy ha iniziato la sua carriera in teatro nel 1993 con Le Dragon, messo in scena da E. Ginuichard. In seguito ha fatto parte del cast di Mai 45 mai 95, messo in scena da E. Ginuichard. Ha avuto la sua prima esperienza televisiva nel 1999 con Un Homme en Colère, seguito da Les Monos. Nel 2001 ha preso parte a Tania Boréalis ou L'étoile d'un été, diretto da P. Martineau. Successivamente, ha preso parte al film Carnets d'ados-La vie quand même, diretto da O. Péray. A questi segue il film Gunpowder, Treason, & Plot, diretto da G. MacKinnon.   Il suo primo film per il cinema è stato Olgas Sommer, diretto da N.Grosse nel 2002. L'anno successivo ha interpretato il ruolo di Magali nel film Bienvenue chez les Rozes, diretto da F. Palluau. Inoltre, ha recitato negli adattamenti dei romanzi bestseller di Harry Potter, dove ha interpretato il ruolo di Fleur Delacour: Harry Potter e il calice di fuoco, diretto da M. Newell (2005), Harry Potter e i doni della morte e Harry Potter e i doni della morte parte 2, diretto da D. Yates. Nel 2005 l'abbiamo vista in televisione in Revelations, diretto da L. Linka Glatter, D. Semel e L.F. Zanuck, e l'anno successivo in Les Amants du Flore, diretto da I.D. Cohen.  Nello stesso anno, possiamo ammirarla anche sul grande schermo nel film Le Grand Meaulnes, diretto da J.D. Verhaeghe. Successivamente, è stata una delle protagoniste dei film per il cinema: Sans moi diretto da O. Panchot (2007), Le dernier gang diretto da A. Zeitoun (2007), In Bruges diretto da M. McDonagh (2008), La troisième partie du monde diretto da E. Forestier (2008) e Heartless diretto da P. Ridley (2009). Parallelamente, l'abbiamo vista anche in televisione in Guerre et Paix, diretto da R. Dornhelm, e nella serie di grande successo Gossip Girl. Il 2010 è stato un anno ricco di progetti per Clemence Poesy. Ha recitato in molti film per il cinema, come Pièce montée, diretto da D.G.Deferre, 127 ore, diretto da D.Boyle, e Lullaby for Pi, diretto da B.Philippon. L'anno successivo l'abbiamo rivista sul grande schermo con Jeanne Captive, diretto da P. Ramos. In televisione ha partecipato a Birdsong, diretto da P. Martin (2012), e a The Hollow Crown, diretto da R. Goold (2012). Tra il 2013 e il 2018 è stata sul set di The Tunnel e nel 2018 su quello di Genius. Poi, ha girato per il film Mister Morgan, l'ultimo amore del signor Morgan, diretto da S. Nettelbeck (2013). Nel 2016 è stata coinvolta in diversi progetti, come 7 minuti per la regia di M.Placido, Final Portrait per la regia di S.Tucci, Tito il piccolo per la regia di P.Randi e Famiglia all'improvviso-Istruzioni non incluse per la regia di H.Gélin. A questi è seguito il corto Grizzly Bear: Mourning Sound. Inoltre, nel 2019 ha recitato nel film Le milieu de l'horizon, diretto da D. Lehericei. Nel 2020 ha preso parte al film diretto da Christopher Nolan, Tenet. Lo stesso anno è stata impegnata in Resistance, diretto da J. Jakubowicz.