Née à Londres, elle étudie l’ethnologie arabe et berbère, puis décroche des stages de montage grâce à la Cinémathèque d’Alger. Elle tourne ses premiers courts métrages en autodidacte à la fin des années 70. Son passage aux Ateliers Varan se révèle décisif : elle y découvre les vertus du cinéma direct et décide de s’orienter vers le documentaire. Parallèlement à son travail de monteuse, elle réalise plusieurs courts métrages puis signe pour le petit écran une série de fiction remarquée, Scènes de ménage. Un an plus tard, avec Récréations (documentaire), elle filme les comédies humaines dans la cour de récréation d’une école maternelle. Le film sortira en salles en 1997. Entre-temps, la cinéaste s’est fait un nom dans le monde du documentaire grâce à Coûte que coûte.

En 1997, elle réalise son premier long métrage de fiction, Sinon oui, inspiré d’une histoire vraie et présenté à Cannes dans le cadre de Cinémas en France. S’emparant de récits authentiques qui témoignent de son goût pour le romanesque, elle filme le flirt de sa fille (800 km de différence) et le roman d’une vie (Mimi). Elle revient en 2006 sur le terrain de la fiction pure avec Ça brûle, présenté à la Quinzaine des Réalisateurs, puis avec Les Bureaux de Dieu" traçant une maigre frontière entre documentaire et fiction. On retrouve cette caractéristique dans Gare du Nord en 2013 et Géographie humaine, l’occasion pour la cinéaste de comparer notre passage sur terre à un passage dans une gare. Dans son documentaire très remarqué Le Bois dont les rêves sont faits, Claire Simon filme le Bois de Vincennes comme un lieu dans lequel chacun vient trouver refuge et inventer son utopie. Son documentaire Le Concours a reçu le Prix du meilleur documentaire cinéma à la Biennale de Venise 2016. Elle réalise en 2023 le film documentaire Notre corps, qui retrace le parcours des femmes à l'hôpital tout au long de leur vie. Après une sortie en salles, le long-métrage est sélectionné aux César 2024, et dans de nombreux festivals français et internationaux.

Elle est membre et formatrice aux Ateliers Varan depuis 1993 et a dirigé le département réalisation de la Fémis onze années durant.

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