A szicíliai apától és francia anyától származó, eredeti nevén Claude Joséphine Rose Cardin Tunisz városában született, amely az 1930-as években francia protektorátus volt. Apjától némi szicíliai olaszt magára szedett, de anyanyelve a francia volt. Claudia tanárnak készült, ám élete váratlan fordulatot vett, amikor 1957-ben megnyerte az olasz Unitalia Film által Tunéziában szervezett szépségversenyt.
A Tunézia legszebb olasz lánya címmel kitüntetett fiatal lány élete egy csapásra a feje tetejére állt. A szépségverseny nyertese ugyanis a Velencei Nemzetközi Filmfesztiválra utazhatott, ahol a feltűnő szépségű Claude Joséphine-re, akiből nemsokára Claudia lett, felfigyeltek az olasz filmesek, és nem sokkal később apróbb filmszerepeket adtak neki.
Claudia Cardinalénak azonban nyelvi nehézségei támadtak, kis túlzással törte az olaszt, és a hirtelen jött rivaldafény mellett egy súlyos magánéleti teherrel is meg kellett küzdenie. A fiatal lány 17 éves korában egy nálánál tíz évvel idősebb francia férfival keveredett zűrös viszonyba, és teherbe esett tőle (egyes források szerint Claudia erőszak áldozata lett).
A férfi nem vállalta a gyermeket, a kétségbeesett, depressziós, fiatal nőn végül Franco Cristaldi, a Vides Cinematografica olasz filmstúdió vezetője segített, aki Londonba csempészte ki Cardinalét, azzal a fedősztorival, hogy a színésznő angol tanulás céljából utazott a brit fővárosba.
Claudia Londonban szülte meg fiát, Patrickot. Cristaldi ötlete bevált, az olasz sajtó sokáig nem tudott a gyermekről, illetve a fiút egy ideig a színésznő öccsének hitték. Claudia hálából több évre aláírt a Vides Cinematograficának. Cristaldi adoptálta Patrickot, és 1966-ban Las Vegasban Cardinale tudta nélkül megszervezte esküvőjüket. A színésznő 1975-ig élt együtt Cristaldival, aki Cardinale visszaemlékezései szerint a „családi kasszába” tette az színésznő által megkeresett jövedelmet.
Claudiát kezdetben „szinkronizálni kellett”, ugyanis erős francia akcentussal ejtette ki az olasz szavakat. Bár filmes karrierje az 1958-as Goha című alkotással kezdődött, a publikum csak Federico Fellini 1963-as Oscar-díjjal jutalmazott, Nyolc és fél című filmjében hallhatta először a színésznő férfiszíveket megdobogtató hangját.
Fellini mellett a másik olasz filmrendező, a neorealizmus másik nagymestere, Luchino Visconti is sokat tett azért, hogy a szexszimbólummá váló Cardinale egyben komoly színésznővé is érjen.
Cardinale Visconti rendezésében olyan filmeket jegyzett, mint a Rokkó és fivérei (1960) vagy A párduc, amelyet szintén 1963-ban, a Nyolc és féllel párhuzamosan forgatott. A két rendező alaposan próbára tette a színésznőt, ugyanis Fellini szőkén, míg Visconti gyönyörű fekete hajkoronájával akarta a kamerák előtt látni Claudiát.
Nem jött be neki Hollywood.
A gyönyörű Claudiára Hollywoodban is felfigyeltek. Richard Brooks 1966-os Szerencsevadászok című westernfilmje, amelyben Cardinale egy elrabolt feleség szerepét játszotta, óriási sikert aratott Amerikában. Egy másik westernben, a honfitársa, Sergio Leone rendezte, 1968-as Volt egyszer egy Vadnyugat című filmben Henry Fonda és Charles Bronson mellett alakított emlékezeteset.
Bár Leone „spagettiwesternje” a műfaj egyik klasszikusává emelkedett, Amerikában nem aratott egyöntetű sikert. Cardinale sem találta a helyét Hollywoodban. Bár marasztalták, ő túl európainak érezte magát a tengerentúlon, és inkább hazatért az öreg kontinensre.
A színésznő munkáját a szakma rengeteg rangos díjjal jutalmazta. Az 1993-as Velencei Nemzetközi Filmfesztiválon Arany Oroszlán-életműdíjat, 2002-ben a Berlini Nemzetközi Filmfesztiválon Arany Medve-életműdíjat vehetett át.
„Nagyon szerencsés vagyok, hiszen remek rendezőkkel dolgozhattam együtt!” – nyilatkozta a művésznő, aki még nem vonult vissza, és egy jelenleg futó Bulle című televíziós sorozatban látható a képernyőkön.
