Enfant de la balle, Chiara Mastroianni naît des amours de Catherine Deneuve et Marcello Mastroianni.

Coupée au montage de LA CITÉ DES FEMMES (Federico Fellini, 1980), elle apparaît petite avec sa mère (À NOUS DEUX, Claude Lelouch, 1979) puis débute avec elle dans MA SAISON PRÉFÉRÉE (André Téchiné, 1993).

Elle la retrouve pour une scène des VOLEURS (Téchiné, 1996), UN CONTE DE NOËL (Arnaud Desplechin, 2008), LES BIEN-AIMÉS (Christophe Honoré, 2011) et vocalement pour PERSEPOLIS (Marjane Satrapi & Vincent Paronnaud, 2007).

Elle se fait un prénom avec son complice Melvil Poupaud dans LE JOURNAL DU SÉDUCTEUR (Danièle Dubroux, 1995) et 3 VIES ET UNE SEULE MORT (Raoul Ruiz, 1996) avec aussi son père.

Les projets atypiques la séduisent, de l'ombre (N'OUBLIE PAS QUE TU VAS MOURIR, Xavier Beauvois, 1995, CAMELEONE, Benoît Cohen, 1996, À VENDRE, Laetitia Masson, 1998) à la farce (CARNAGES, Delphine Gleize, 2002).

Manoel de Oliveira la magnifie dans LA LETTRE (1999) en Princesse de Clèves à laquelle elle fait un clin d'œil dans LA BELLE PERSONNE (Honoré, 2008).

Elle séduit Robert Altman (PRÊT-À-PORTER, 1994), Gregg Araki (NOWHERE, 1997), Mike Figgis (HOTEL, 2001) et retrouve l'Italie pour LIBERTO BURRO (Sergio Castellitto, 1999) et LE PAROLE DI MIO PADRE (Francesca Comencini, 2001).

Elle chante avec Benjamin Biolay (album « Home », 2004) et pour les chansons d'Alex Beaupain chez Honoré (LES CHANSONS D'AMOUR, LES BIEN-AIMÉS, 2007-2011).

Pascal Thomas l'invite dans ses « whodunit agathachristiens » L'HEURE ZÉRO (2007) et LE CRIME EST NOTRE AFFAIRE (2008).

Elle défend ses collègues qui réalisent (IL EST PLUS FACILE POUR UN CHAMEAU, Valeria Bruni-Tedeschi, 2004, AKOIBON, Edouard Baer, 2005, AMERICANO, Mathieu Demy, 2011).

La maturité arrive avec drôlerie (UN CHAT UN CHAT, Sophie Fillières, 2009) et émotion (NON MA FILLE, TU N'IRAS PAS DANSER, Honoré, 2009).