Clémence Thioly s'est formée à l'art dramatique à l'école parisienne des Enfants terribles[5], puis au Studio d'Asnières. Elle tourne pour la première fois pour le court-métrage Bien dit de Zabou Breitman et fait partie des Jeunes Talents au festival de Cannes 2003[6]. Dès ses dix-huit ans, elle s'essaie à l'adaptation théâtrale et à la mise en scène en s'inspirant du Frigo de Copi pour créer Anna et le rat.
Parallèlement, Clémence Thioly s'illustre dans de nombreux rôles à la télévision, que ce soit dans des téléfilms ou des séries télévisées, Cherif, Interventions, 10%…
En 2013 le premier rôle éponyme de Colette, un film international du réalisateur tchèque Milan Cieslar dans lequel elle joue en anglais. Adapté d'une nouvelle d'Arnošt Lustig. Elle apparaît la même année sur les écrans français dans Les Garçons et Guillaume, à table! de Guillaume Gallienne.
Elle est actuellement la compagne de Julien Boisselier avec qui elle a un fils, Louis, né en 2015.
Karine Hernandez, «Julien Boisselier: papa pour la première fois, il parle de son fils avec tendresse: «Je le regarde chaque seconde»», Voici, (lire en ligne)