Adolescente, Claire Doyon n'est pas encore une passionnée de cinéma. De formation littéraire, elle part à New York suivre des études théâtrales.

A 25 ans, elle décide de s'inscrire à la Femis, dans le département réalisation, ce qui lui permet de tourner plusieurs courts-métrages. C'est avec l'un d'entre eux, Le Vent souffle où il veut, que Claire Doyon est particulièrement remarquée. Le film est primé dans plusieurs festivals, dont la Mostra de Venise où il obtient une Mention Spéciale du jury. Il est également présenté au Festival de Cannes dans le cadre de la Cinéfondation, section consacrée aux films d'étudiants en cinéma. La même année, Claire Doyon filme pour ce festival la leçon de cinéma donnée par Théo Angelopoulos.

Trois ans plus tard, elle retourne à Cannes pour présenter son premier long-métrage, Les Lionceaux. Ce film insolite, qui met en scène de façon sensuelle et ludique des adolescents sur une île déserte, est sélectionné par la Quinzaine des Réalisateurs.