Clotilde de Bayser se forme au Cours Florent, puis au Conservatoire national supérieur d’art dramatique de Paris. Elle entre à la Comédie-Française en 1997 et en devient la 509^e sociétaire en 2004.

À ses débuts, elle joue le rôle de Natalia Petrovna dans Un mois à la campagne de Tourgueniev, mis en scène par Andreï Smirnoff. Elle est ensuite Elmire dans Tartuffe par Marcel Bozonnet, Arsinoé dans Le Misanthrope par Lukas Hemleb, Maria Efinovna Grékova dans Platonov ou le Fléau de l’absence de père de Tchekhov par Jacques Lassalle, Mme Gabor dans L’Éveil du printemps de Wedekind par Clément Hervieu-Léger, la Baronne dans Un fil à la patte de Feydeau par Jérôme Deschamps, ou encore la Mère dans Six personnages en quête d’auteur de Pirandello, dirigé par Marina Hands.

Sa collaboration avec Jean-Pierre Miquel est particulièrement marquante : elle incarne Hortense dans Le Legs de Marivaux, Célimène dans Le Misanthrope et le rôle-titre dans Hedda Gabler d’Ibsen. En 2003, elle crée le rôle de Maman dans Papa doit manger de Marie NDiaye, mise en scène par André Engel. Lilo Baur la dirige en 2010 dans Le Mariage de Nikolaï Gogol, où elle interprète Fiokla Ivanovna. Elle poursuit avec des rôles variés comme la Secrétaire dans Après la pluie de Sergi Belbel, Olympe Ferraillon dans La Puce à l’oreille de Feydeau, et récemment Mme Boyle dans La Souricière d’Agatha Christie (2025). En 2023, elle participe à la création de Mémoire de fille, d’après Annie Ernaux, adaptée et mise en scène par Silvia Costa.

Sous la direction de Guy Cassiers dans Bérénice, où elle incarne la Confidente, elle retrouve Racine, un auteur dont elle a déjà exploré la langue avec Phèdre par Michael Marmarinos, Britannicus par Stéphane Braunschweig et Bajazet par Éric Ruf.

Au cinéma, Clotilde de Bayser a tourné sous la direction de Claude Miller, Olivier Assayas, Francis Girod, Niels Arestrup et Claude Lelouch. À la télévision, on a pu la voir notamment dans La Crim’ et Les Morts et les Vivants.