Chiara Mastroianni est la fille de deux figures mythiques du 7ème art : Catherine Deneuve et Marcello Mastroianni. Elle est née le 28 mai 1972 à Paris.
Elle passe son enfance entre Paris et Rome, et baigne dans l'univers des tournages et des cérémonies. Enfant, elle fait ses premières apparitions devant les caméras aux côtés de ses parents. A la fin de sa scolarité, elle s'inscrit en DEUG d'Italien à l'Université, puis abandonne, pour tenter sa chance comme actrice, en participant à de nombreux castings. C'est André Téchiné qui lui offre son premier vrai rôle, aux côtés de sa mère, dans Ma saison préférée en 1993, pour lequel elle est nominée au César Meilleur espoir féminin.
Progressivement, Chiara Mastroianni s'affranchit de la présence de ses parents et se distingue dans des films d'auteur. En 1996, elle rejoint l'équipe d'Arnaud Desplechin dans Comment je me suis disputée... (ma vie sexuelle) ainsi que le casting deN'oublie pas que tu vas mourir de Xavier Beauvois ou encore celui de Prêt-à-porter de Robert Altman. Elle a alors une liaison avec l'acteur Benicio Del Toro.
Elle joue ensuite une princesse de Clèves moderne, dans La lettre de Manoel de Oliveira, puis elle décide de faire une pause dans sa carrière pour sortir son premier album : Home (2004) avec l'aide de Benjamin Biolay qu'elle a épousé en 2002. Elle a également deux enfants Milo né en 1997) et Anna, née en 2003.
En 2005, Chiara Mastroianni est à l'affiche de la comédie Akoibon d'Edouard Baer, puis elle s'essaye à la comédie musicale, sous la direction de Christophe Honoré dans Les Chansons d'amour. Elle prête ensuite de nouveau sa voix dans l'adaptation de la BD de Marjane Satrapi : Persepolis.
Séparée de Benjamin Biolay depuis 2007, elle poursuit son chemin sur les tournages, en jouant dans L'Heure Zéro et dans I'm not there, aux côtés de Charlotte Gainsbourg et de Cate Blanchett.
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