Claire Catherine Danes jest najmłodszym dzieckiem Carli i Chrisa Danesów. Ma starszego o 6 lat brata, który jest prawnikiem. Jej mama  jest malarką i nauczycielką, a tata konsultantem komputerowym. Rodzice od najmłodszych lat zachęcali ją do pogłębiania artystycznych zainteresowań. W wieku 6 lat zaczęła uczyć się tańca nowoczesnego. Mając 9 lat brała lekcje aktorstwa w Lee Strasberg Theater and Film Institute. Natomiast w 6 i 7 klasie uczęszczała do Professional Performing Arts School w Nowym Jorku (Nowy Jork, USA).

Karierę rozpoczęła w off-broadwayowskich przedstawieniach takich jak: "Happiness", "Punk Bullet" i "Kids on Stage". W wieku 11 lat zadebiutowała w filmie "Dreams of Love". W telewizji pojawiła się m.in. w "Prawo i porządek", "No room for Opal", "Lifestories: Families in Crisis", czy "Dziecięcym ogrodzie poezji". Po raz pierwszy została dostrzeżona grając Angelę Chase w serialu "Moje tak zwane życie". Za tę rolę otrzymała Złoty Glob i nominację do Emmy. W tym samym czasie wystąpiła u boku Susan Sarandon, Winony Ryder i Gabriela Byrne'a w "Małych kobietkach". Od tego momentu pojawiała się w wielu różnych filmach, ale prawdziwe uznanie i sławę przyniosła jej główna rola żeńska w szekspirowskim dramacie "Romeo i Julia" Baza Luhrmana u boku Leonarda DiCaprio. W następnych latach można ją było zobaczyć w "Drodze przez piekło" Olivera Stone'a czy "Zaklinaczu deszczu" Francisa Forda Coppoli.

W 2000 roku rozpoczęła studia psychologiczne na Uniwersytecie Yale w New Haven (Connecticut, USA), które przerwała po dwóch latach. W 2002 zagrała w "Ucieczce od życia" oraz niewielką rolę w "Godzinach". Od tego czasu pojawia się w coraz bardziej zróżnicowanym repertuarze. 2007 rok przyniósł jej role w filmach "Wieczór" i "Gwiezdny pył" u boku Meryl Streep, Glenn Close, Michelle Pfeiffer, Roberta De Niro i Marka Stronga. W 2010 zagrała tytułową postać w telewizyjnym obrazie "Temple Grandin", za którą otrzymała Złoty Glob, Emmy, nagrodę Amerykańskiej Gildii Aktorów Filmowych oraz Satelitę. Rok później dołączyła do obsady serialu "Homeland", wcielając się w Carrie Mathison. Rola ta przyniosła jej Złote Globy, statuetki Emmy, nagrodę Critics’ Choice Television oraz Satelity.