Un cop acabats els estudis de direcció a l'escola Fémis i Lee Strasberg, Claire Doyon va dirigir el seu primer llargmetratge Les Lionceaux l'any 2002, seleccionat a La Quinzaine des Réalisateurs del Festival de Cannes. Després va dirigir diverses pel·lícules: Le vent souffle où il veut, Kataï, Les Allées sombres, Arsenic, Chrishna/Ombwiri. Aquestes pel·lícules van ser seleccionades a festivals internacionals com el Festival Internacional de Cinema de Locarno, la Mostra de Venècia, el Festival de Turin, el Festival Internacional de Cinema de Marsella, el Festival Internacional de Curtmetratges de Clermont-Ferrand, Côté Court de Pantin i pels quals va guanyar premis. Va dirigir Pénélope, una pel·lícula sobre un viatge amb la seva filla amb autisme a les fronteres de Mongòlia, que va guanyar el premi Renaud Victor a la FID de Marsella. Claire Doyon és la fundadora de MAIA, un institut experimental creat l'any 2007, situat a París, que acull actualment 24 nens i adolescents amb autisme. Aquesta escola promou una pedagogia experimental inspirada en diverses fonts i eines. Avui Claire Doyon és responsable de projectes i iniciatives innovadores per a adults.
