Claire Nebout a suivi les cours du Centre International de danse avant de se spécialiser en danse contemporaine. C'est en 1983 qu'elle est remarquée par André Téchiné dans le court métrage Epreuve en double (Renaud Bertrand).
En 1986, Claire Nebout apparaît dans un premier long métrage, Le lieu du crime (André Téchiné), au côté de Catherine Deneuve et de Wadeck Stanczack, dont elle interprète la petite amie. Elle se démarque dès ce premier film par son physique à la fois séduisant et dur. Par la suite, on la retrouve en femme fatale dans Association de malfaiteurs (Claude Zidi, 1987) : elle y séduit le pire ennemi de son amant, joué par François Cluzet, pour venir en aide à celui-ci. Son côté femme fatale inquiétante est exploité à nouveau par Christopher Frank, dans Spirale en 1987, puis plus tard par Vincent Ravalec qui lui fait incarner une secrétaire de direction torride dans Cantique de la racaille en 1998. Dans Autour du désir (La condanna, Marco Bellocchio, 1990, Ours d'argent au festival Berlin), elle joue une femme qui, enfermée dans un musée avec un homme, vit une folle nuit avec lui puis l'accuse de viol lorsqu'elle apprend qu'il détenait les clés. Les rôles qu'on lui confie sont toujours troublants, comme celui de Miss Hamilton dans Archipel (Pierre Granier-Deferre, 1991), où elle séduit tour à tour sa gouvernante et un jeune étudiant. Enfin, dans Vénus Beauté (institut) (Tonie Marshall, 1999), elle est cliente régulière d'un salon de beauté, où elle a pour habitude de se promener nue. Certains des réalisateurs avec lesquels elle travaille utilisent son côté androgyne, comme Edouard Molinaro dans Beaumarchais l'insolent (1995), où elle incarne le personnage ambivalent du Chevalier d'Eon.
Dans les années 1990, Claire Nebout apparaît régulièrement à la télévision, pour laquelle elle a déjà tourné dans Confidence-confidence (Renaud Bertrand, 1985), puis dans un épisode de la série Coplan en 1988 (Peter Kassovitz). Ensuite, elle participe à de nombreux feuilletons, comme Orages d'été (1989), La Rivière Espérance (1994), Terre violente (1997). Elle a également joué dans quelques pièces de théâtre, en 1989 dans Les Parisiens (Pascal Lambert) et en 1991 dans Brûlez tout, de Lanford Wilson.
Courts métrages 1983 | Epreuve en double | Renaud Bertrand |
| 1995 | Vroum-vroum | Frédéric Sojcher |
| 1998 | Chant des sirènes (Le) | Arnaud Debrée |
| 2001 | Un ange passe | Michel Fernandez |
| 2003 | Raisons économiques | Sören Prévost, Patrice Jourdan |
Longs métrages| 1985 | Lieu du crime (Le) | André Téchiné |
| 1986 | Association de malfaiteurs | Claude Zidi |
| 1986 | Femme secrète (La) | Sébastien Grall |
| 1986 | Nuit docile | Guy Gilles |
| 1987 | Spirale | Christopher Frank |
| 1987 | Una notte, un sogno | Massimo Manuelli |
| 1990 | Condanna (La) Autour du désir | Marco Bellocchio |
| 1990 | Moody Beach | Richard Roy |
| 1991 | Archipel | Pierre Granier-Deferre |
| 1991 | Au pays des Juliets | Mehdi Charef |
| 1995 | Beaumarchais, l'insolent | Edouard Molinaro |
| 1995 | Ponette | Jacques Doillon |
| 1997 | Bossu (Le) | Philippe de Broca |
| 1997 | Cantique de la racaille | Vincent Ravalec |
| 1998 | Peau neuve | Emilie Deleuze |
| 1998 | Vénus beauté (institut) | Tonie Marshall |
| 1999 | Regarde-moi | Frédéric Sojcher |
| 2002 | Eros thérapie | Danièle Dubroux |
| 2003 | Trois couples en quête d'orage | Jacques Otmezguine |
| 2004 | Douches froides | Antony Cordier |
| 2005 | On va s'aimer | Ivan Calbérac |
| 2005 | Président | Lionel Delplanque |
| 2006 | Cortex | Nicolas Boukhrief |
| 2007 | Deux jours à tuer | Jean Becker |
| 2007 | Différence, c'est que c'est pas pareil (La) | Pascal Laëthier |
| 2010 | Dubaï Flamingo | Delphine Kreuter |