Киара е дъщеря на известната френска актриса Катрин Деньов и италианския актьор Марчело Мастрояни. Тя споделя в интервю, че никога не е виждала родителите си заедно, защото те са се разделили, когато е била на две години.
Момичето тръгва по стъпките на своите звездни родители. Киара Мастрояни е номинирана за награда "Сезар" още за дебютната си роля във филма „Най-прекрасното време на годината“. Между другото тя участва заедно с майка си в повече от 10 филма. След 2000-та година Киара започва да получава само предложения за главни роли. А през 2016 г. става член на журито на филмовия фестивал в Кан.