Elle naît en 1864 à Fère-en-Tardenois (Aisne) de Louis Prosper Claudel, conservateur des hypothèques et de Louise Cerveaux. Elle a pour frère Paul Claudel, écrivain et diplomate.

Très jeune, Camille se passionne pour la sculpture et travaille la glaise avec l’approbation de son père et l’aversion de sa mère. À partir de 1882, les Claudel habitent Paris et Camille suit des cours à l’Académie Colarossi, puis elle étudie sous la direction du sculpteur Alfred Boucher. Elle ouvre un atelier dans le quartier Montparnasse et travaille avec d’autres sculptrices, la plupart anglaises.

En 1883, elle intègre l’atelier d’Auguste Rodin, maître au dépôt des marbres de l’Etat. Elle devient son assistante et participe à plusieurs sculptures de celui-ci comme le groupe «Les bourgeois de Calais». Camille devient la muse puis la maîtresse de Rodin qui refuse de se marier avec elle. Rodin sculpte le visage de Camille dans plusieurs œuvres.

Camille prend son essor et obtient en 1888 le prix du Salon. Elle est soutenue par des mécènes comme la comtesse de Maigret ou le musicien Claude Debussy. À partir de 1893, elle se détache de Rodin puis rompt en 1898. Elle s’isole dans son travail et crée en solitaire des œuvres qui font toujours l’admiration des amateurs d’art. Elle produit beaucoup et scandalise par ses statues de nus, alors que ce genre n’est réservé qu’aux hommes.

À partir de 1905, Camille donne des signes de troubles psychiques importants. Elle vit misérable en recluse, obsédée par la «bande à Rodin». En 1913, après le décès de son père, qui l’admirait, sa mère signe la demande de son internement.

Elle est internée en hôpital psychiatrique et décède de malnutrition en 1943 à Montdevergues (Vaucluse). Elle est enterrée dans la fosse commune.