Diplômée de l'université de Bologne, c'est également dans sa ville natale que Chiara Caselli fait ses débuts sur les planches. À vingt ans, elle obtient son premier vrai rôle de cinéma dans Le Secret, pour lequel elle remporte en 1990 une médaille d'argent au Festival de Saint-Vincent.
Remarquée par le réalisateur belge Gérard Corbiau, elle joue dans L'Année de l'éveil en 1991, puis tourne aux États-Unis sous la direction de Gus Van Sant dans My Own Private Idaho (1991). Sa carrière internationale est lancée.
En 1993, elle joue coup sur coup pour Costa-Gavras (La Petite Apocalypse) et les frères Taviani (Fiorile), avant de remporter un Ruban d'argent, ainsi qu'un Grolla d'or, pour son rôle dans Dove siete ? io sono qui. En 1995, Michelangelo Antonioni en fait l'une des héroïnes de Par-delà les nuages, puis cinq ans plus tard de Destinazione Verna. Après Le Sang des innocents, dans lequel Dario Argento met en scène le couple Chiara Caselli-Stefano Dionisi, (déjà réunis à l'écran par trois fois dans Segreto, Sabato italiano, Le Prix a payer), Chiara Caselli retrouve Liliana Cavani et John Malkovich dans une nouvelle adaptation du roman de Patricia Highsmith Ripley's Game (2002)
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