Chiara Mastroianni es hija de la actriz francesa Catherine Deneuve y el actor italiano Marcello Mastroianni.
El 11 de mayo de 2002, se casó con el músico Benjamin Biolay, del que se divorció en 2005.
Desde el año 2014, es pareja del actor belga, Benoît Poelvoorde.
Además de actriz, colaboró con su exmarido haciendo los coros del disco de éste, Negatif.
Posteriormente, editaron en dúo un disco titulado Home.