Dès l'enfance, Claude Rich fait preuve d'un talent de comédie (il avoue qu'il imitait Bourvil pour amuser ses camarades) qui le mène tout naturellement au cours Dullin à Paris. Il entre ensuite au Conservatoire, où il obtient un deuxième prix. Il monte sur les planches en 1953 dans La Corde au Théâtre de la Renaissance puis débute au cinéma en 1955 grâce à René Clair qui lui offre un petit rôle dans Les Grandes manoeuvres.
Claude Rich débute sa carrière cinématographique dans des rôles secondaires. Il se consacre alors surtout au théâtre où il interprète la première création de Françoise Sagan, Un château en Suède. Le succès de la pièce lui vaut l'attention de plusieurs cinéastes. Jean Renoir lui propose de tourner dans Le Caporal épinglé (1961) et Claude Rich obtient le premier rôle masculin dans L'Or du Duc (1965) de Jacques Baratier. Son humour pince-sans-rire fait merveille dans les comédies, genre principal de ses débuts à l'écran. Avec la maturité, il se tourne vers des compositions plus complexes et plus ambiguës. Etonnant en rival de Claude Brasseur dans Le Crabe-Tambour (1977) de Pierre Schoendorffer, il décroche le premier rôle d'un Matin rouge (1981) de Jean-Jacques Aublanc, où il accomplit une justice personnelle contre un complice des crimes nazis. Trois ans plus tard, il revient en père odieux du critique d'art Foster dans Escalier C (1985) de Jean-Charles Tacchella. Dans Le Souper (1992) d'Edouard Molinaro, qu'il interprète d'abord sur les planches, il obtient la consécration. Il incarne Talleyrand, confronté au puissant ministre de l'Intérieur Fouché, interprété par Claude Brasseur, au lendemain de la défaite de Waterloo. Claude Rich restitue un personnage ambitieux, raffiné et fourbe, froid et jouisseur. Il obtient le César du meilleur acteur pour sa composition. Ce tournant l'oriente vers des films à costumes. On le voit en trafiquant d'esclaves dans La Fille de D'Artagnan (1993) de Bertrand Tavernier puis en Chamblin, aristocrate snob dans Le Colonel Chabert (1993) d'Yves Angelo. L'officier dépassé et irresponsable du Capitaine Conan (1995) de Bertrand Tavernier succède au comte de Sainteville du Bel été 1914 (1995) de Christian de Chalonge.
Claude Rich ne délaisse jamais sa carrière théâtrale et affectionne particulièrement les compositions difficiles (Lorenzaccio, 1976, à la Comédie-Française). Il écrit et met en scène ses propres pièces. En 1975, il monte Le Zouave, qu'il interprète à la Comédie des Champs-Elysées. Il continue sur sa lancée avec Un manteau pour l'hiver, qu'il écrit et joue pour le Théâtre de l'oeuvre.
Depuis 1989, il participe à une quinzaine de téléfilms, dont Le Jardin des plantes de Philippe de Broca, et collabore trois fois avec Peter Kassovitz (L'Enigme blanche, 1981, Stirn and Stern, 1990, et Faussaires et Assassins, 1997).
Courts métrages 1988 | France, images d'une révolution | Alec Costandinos |
Longs métrages| 1955 | Grandes manoeuvres (Les) | René Clair |
| 1956 | C'est arrivé à Aden | Michel Boisrond |
| 1956 | Mitsou | Jacqueline Audry |
| 1956 | Polka des menottes (La) | Raoul André |
| 1957 | Garçonne (La) | Jacqueline Audry |
| 1957 | Ni vu, ni connu | Yves Robert |
| 1960 | Ce soir ou jamais | Michel Deville |
| 1960 | Française et l'amour : Le Mariage (La) | René Clair |
| 1960 | Homme à femmes (L') | Jacques-Gérard Cornu |
| 1961 | Caporal épinglé (Le) | Jean Renoir |
| 1961 | Chambre ardente (La) | Julien Duvivier |
| 1961 | Petits matins = Mademoiselle stop (Les) | Jacqueline Audry |
| 1961 | Sept péchés capitaux : L'Avarice (Les) | Claude Chabrol |
| 1961 | Tout l'or du monde | René Clair |
| 1962 | Copacabana Palace | Steno |
| 1962 | Diable et les dix commandements (Le) | Julien Duvivier |
| 1963 | Comment trouvez-vous ma soeur ? | Michel Boisrond |
| 1963 | Constance aux enfers | François Villiers |
| 1963 | Tontons flingueurs (Les) | Georges Lautner |
| 1964 | Chasse à l'homme (La) | Edouard Molinaro |
| 1964 | Copains (Les) | Yves Robert |
| 1964 | Mata Hari, agent H 21 | Jean-Louis Richard |
| 1964 | Repas des fauves (Le) | Christian-Jaque |
| 1965 | Mona, l'étoile sans nom | Henri Colpi |
| 1965 | Or du duc (L') | Jacques Baratier |
| 1965 | Paris brûle-t-il ? | René Clément |
| 1965 | Un milliard dans un billard | Nicolas Gessner |
| 1966 | Compagnons de la marguerite (Les) | Jean-Pierre Mocky |
| 1966 | Monsieur le président directeur général | Jean Girault |
| 1967 | Je t'aime, je t'aime | Alain Resnais |
| 1967 | Mariée était en noir (La) | François Truffaut |
| 1967 | Oscar | Edouard Molinaro |
| 1969 | Client de la morte saison (Le) | Moshé Mizrahi |
| 1969 | Con quale amore, con quanto amore [Tu peux ou tu peux pas ?] | Pasquale Festa Campanile |
| 1969 | Une veuve en or | Michel Audiard |
| 1970 | Nini Tirabuscio, la donna che invento la mossa Nini Tirebouchon | Marcello Fondato |
| 1973 | Femme de Jean (La) | Yannick Bellon |
| 1973 | Ironie du sort (L') | Edouard Molinaro |
| 1973 | Race des seigneurs (La) | Pierre Granier-Deferre |
| 1973 | Stavisky... | Alain Resnais |
| 1974 | Futur aux trousses (Le) | Dolorès Grassian |
| 1975 | Adieu poulet | Pierre Granier-Deferre |
| 1977 | Crabe-tambour (Le) | Pierre Schoendoerffer |
| 1979 | Guerre des polices (La) | Robin Davis |
| 1981 | Revanche (La) | Pierre Lary |
| 1981 | Un matin rouge | Jean-Jacques Aublanc |
| 1982 | Maria Chapdelaine | Gilles Carle |
| 1983 | Mots pour le dire (Les) | José Pinheiro |
| 1984 | Escalier C | Jean-Charles Tacchella |
| 1988 | Cigognes n'en font qu'à leur tête (Les) | Didier Kaminka |
| 1990 | Promotion canapé | Didier Kaminka |
| 1992 | Accompagnatrice (L') | Claude Miller |
| 1992 | Souper (Le) | Edouard Molinaro |
| 1993 | Colonel Chabert (Le) | Yves Angelo |
| 1993 | Fille de d'Artagnan (La) | Bertrand Tavernier |
| 1994 | Dis-moi oui | Alexandre Arcady |
| 1995 | Bel été 1914 (Le) | Christian de Chalonge |
| 1995 | Capitaine Conan | Bertrand Tavernier |
| 1995 | Désiré | Bernard Murat |
| 1996 | Nel profondo paese straniero Homère, la dernière odyssée | Fabio Carpi |
| 1997 | Lautrec | Roger Planchon |
| 1998 | Derrière (Le) | Valérie Lemercier |
| 1999 | Acteurs (Les) | Bertrand Blier |
| 1999 | Bûche (La) | Danièle Thompson |
| 1999 | Paris à tout prix | Yves Jeuland, Pascale Sauvage |
| 2000 | Concorrenza sleale Concurrence déloyale | Ettore Scola |
| 2001 | Astérix et Obélix : Mission Cléopâtre | Alain Chabat |
| 2001 | Là-haut | Pierre Schoendoerffer |
| 2001 | Rien, voilà l'ordre | Jacques Baratier |
| 2002 | Amants de Mogador (Les) | Souheil Ben Barka |
| 2002 | Coût de la vie (Le) | Philippe Le Guay |
| 2002 | Mystère de la chambre jaune (Le) | Bruno Podalydès |
| 2003 | Cou de la girafe (Le) | Safy Nebbou |
| 2004 | Parfum de la dame en noir (Le) | Bruno Podalydès |
| 2005 | Président | Lionel Delplanque |
| 2006 | Coeurs | Alain Resnais |
| 2007 | Aide-toi, le ciel t'aidera | François Dupeyron |
| 2007 | Bancs publics (Versailles rive droite) | Bruno Podalydès |
| 2008 | Crime est notre affaire (Le) | Pascal Thomas |
| 2010 | Et si on vivait tous ensemble ? | Stéphane Robelin |
| 2011 | Cherchez Hortense | Pascal Bonitzer |
| 2011 | Dix jours en or | Nicolas Brossette |