Chiara Caselli est née et a étudié à Bologne, en Italie. Elle fait ses débuts au théâtre au sein de la troupe Teatro Stabile di Bolazo. Puis vient le cinéma, en 1989. Alors âgée de 20 ans, elle tourne Le Secret de Francesco Maselli. Gérard Corbiau la choisit ensuite pour jouer dans L' Annee de l'eveil (1991), puis c'est au tour de de Gus Van Sant, la même année, de la diriger dans My Own Private Idaho (1991), ce qui lui vaut une reconnaissance internationale quoique discrète. En 1993, on la voit dans La Petite Apocalypse de Costa-Gavras, Florile de Paolo Taviani et Vittorio, puis Dove siete? io sono qui, pour lequel elle est récompensée. Suivent Par-delà les nuages (1995) avec John Malkovich de Michelangelo Antonioni, qui la dirige à nouveau, en 2000, dans son Destinazione Verna. Chiara Caselli joue également dans Le Sang des innocents de Dario Argento avec Stefano Dionisi, Segreto, Sabato italiano, Le Prix a payer, puis dans l'adaptation du roman de Patricia Highsmith Le Talentueux Monsieur Ripley (2002), avec Jude Law et Matt Damon. On l'a vu également dans des films comme Il n´y a pas que le sexe dans la vie? d'Alexandre Jardin, Garage Olimpo de Marco Bechis, En attendant le Messie de Daniel Burman, ou encore La Terre des hommes rouges de Marco Bechis. En 2009, on la retrouve dans Le père de mes enfants, réalisé par Mia Hansen-Love, avant d'être à l'affiche, aux côtés de Jared Leto, de Mr Nobody de Jaco van Dormael .
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