Figlio di attori, Clovis Cornillac se ne va di casa a 14 anni per seguire la sua passione teatrale. Le prime esperienze lo vedranno impegnato in teatro di strada o in piccoli stabilimenti. Nel 1984 la sua perseveranza viene premiata dal regista, Alain Francon, con cui inizia una proficua collaborazione sul palco. Parteciperà inoltre a opere messe in scena da Peter Brook e Pierre Laville. La prima volta al cinema è nel ruolo del giovane delinquente di Hors-la-loi (1985) di Robin Davis. Dopo un'interpretazione di grande spessore, Clovis trova un agente, Dominque Besnehard, che gli permette una straordinaria carriera, soprattutto in televisione, grazie alla partecipazione a serie quali Navarro. Torna al grande schermo con ruoli di supporto, ma sempre interessanti, in Suivez cet avion (1989), nel fantascientifico Le trésor des iles chiennes (1991) o ancora nell'affresco storico Pétain (1993). In coppia con Sylvie Testud interpreterà, sempre in un ruolo violento e ribelle, la sua prima parte da protagonista nell'esordio al lungometraggio di Thomas Vincent, Karnaval (1998). Ruolo per cui riceve una nomination ai César (i David francesi) come miglior promessa maschile. Innumerevoli i film d'oltralpe in cui appare, seguendo molteplici generi, ma restando sempre impeccabile, con uno sguardo torvo che mostra malcelate inquietudini e una corporatura da boxer, che si dice volesse diventare da bambino: da Une affaire privée (2002), inchiesta sulla scomparsa di una ragazza a Carnage (2002) accanto a Chiara Mastroianni, all'interpretazione di un transessuale nell'ottimo horror di Eric Vallette, Maléfique (2003). La via verso il successo è ormai lanciata e i ruoli sul grande schermo si moltiplicano: sarà capo cucina in Une affaire qui roule (2003), ancora nominato ai César come miglior co-protagonista per A la petite semaine (2004) di Sam Karmann, a Venezia in concorso con La donna di Gilles (2004) di Fréderic Fonteyne, e infine, nello stesso anno, insignito dal ministro della Cultura francese, Chevalier de l'Ordre des Arts et des Lettres. Appare poi, tra gli altri, in Una lunga domenica di passioni di Jean-Pierre Jeunet, inSky Fighters e nel 2005 vince il premio Jean Gabin. Nel 2006 interpreta l'ispettore Valentin, protagonista di Triplice Inganno, tratto dalla nota serie televisiva francese Les Brigades du Tigre. Divenuto un volto irrinunciabile del cinema d'oltralpe, soprattutto delle grandi produzioni pur non rinunciando al cinema d'autore, nel 2007 appare nel nuovo film di Thomas Vincent, Le nouveau protocol. Ormai avviato verso la gloria, Clovis rimpiazza Christian Clavier nel ruolo di Asterix in Asterix alle Olimpiadi(2007). Nel 2008 sarà invece nello storico Faubourg 36 di Christophe Barratier, ambientato in un quartiere popolare di Parigi negli anni '30.
