Après avoir suivi des cours au Centre international de danse, Claire Nebout se spécialise dans la danse contemporaine et tourne un court métrage intitulé Epreuve du double. Elle est repérée par André Téchiné, qui lui offre un rôle dans Le lieu du crime (1986) aux côtés de Catherine Deneuve. On la retrouve peu après dans Association de malfaiteurs (Claude Zidi, 1987). Son côté femme fatale inquiétante est exploité à nouveau
par Christopher Frank, dans Spirale en 1987, puis plus tard par Vincent Ravalec dans Cantique de la racaille en 1998. Elle joue ensuite dans Autour du désir (La condanna, Marco Bellocchio, 1990, Ours d'argent au Festival de Berlin). Les rôles qu'on lui confie sont souvent troublants, comme celui de Miss Hamilton dans Archipel (Pierre Granier-Deferre, 1991). En 1999 elle tourne dans Vénus Beauté (institut) (Tonie Marshall).
Elle n'hésite pas non plus à tourner auprès de réalisateurs débutants, comme pour Douches froides (Antony Cordier, 2004), On va s'aimer (Ivan Calbérac, 2005), Président (Lionel Delplanque, 2005), Cortex (Nicolas Boukrief, 2006). Elle joue aussi l'une des convives intés au dernier dîner entre amis organisés par Dupontel dans Deux jours à tuer (Jean Becker, 2007). En mai 2009, Claire joue Diane dans la comédie autour de François Berléand, La Différence, c'est que c'est pas pareil.
Claire Nebout apparaît régulièrement à la télévision depuis Confidenceconfidence (Renaud Bertrand, 1985), ou Coplan en 1988 (Peter Kassovitz). Elle participe à de nombreux feuilletons, comme Orages d'été (1989), La Rivière Espérance (1994), Terre violente (1997) et La ronde des Flandres (André Chandele, 2003). Insatiable, elle joue aussi au Théâtre, sous la direction de Pascal Rambert (Les Parisiens, 1989), Robert Hossein (Huis Clos de Jean-Paul Sartre, 2000), Isabelle Rattier (Les monologues du vagin de Eve Ensler, 2003) ou encore Réception de Serge Valletti, 2007/2008).
