Im Alter von sechzehn Jahren begann Claire Lefilliâtre ihr Gesangsstudium am Conservatoire National von Caen, wo sie 1995 den 1. Preis für Gesang und Musikgeschichte gewann. Gleichzeitig mit ihrem Studium von Theater- und Filmwissenschaften an der Universität von Caen nahm sie Unterricht bei Alain Buet am ENM d’Alençon, wo sie 1996 einen Preis für Excellenz erhielt – dieses Zusammentreffen war wegweisend sowohl für ihre künstlerische und stilistische wie pädagogische Arbeit, und darüber kam sie auch zur Alten Musik. Trotz ihrer Leidenschaft zum Ausdruck der Barockmusik blieb sie doch auch dem Lied und der französischen Mélodie des 19. und 20. Jahrhunderts verbunden.
Ihr Interesse für Barockmusik vertiefte sie in Studien bei Montserrat Figueras, Jill Feldman und Howard Crook (Interpretation), sowie Eugène Green und Benjamin Lazar (Rhetorik und barocke Gestik), um sich eine eigenständige Haltung zur Verzierungstechnik der französischen und italienischen Musik des 17. Jahrhunderts anzueignen.
Sie wurde von zahlreichen Ensembles eingeladen wie La Fenice, Les Corsaires du Roy, Suonar e cantar, La Maitrise du Centre de Musique Baroque de Versailles. Ihre Kenntnis dieses Repertoires ließ sie zur Protagonistin von Le Poème Harmonique mit Vincent Dumestre werden. Ihre Aufnahmen erscheinen seit 1999 beim Label Alpha, wo sie sich für die Musik von Étienne Moulinié, Emilio de Cavalieri oder französischen Romanzen widmet. Sie wurden allesamt von der Presse hoch gelobt (Le monde de la Musique, Diapason, Répertoire usw.), die ihre Arbeit an der Erneuerung der Interpretation der Barockmusik wertschätzt.
Sie sang in Le Bourgeois gentilhomme von Lully (Avignon 2004, Versailles 2005, Rouen und Caen 2007, Besançon, Reims und Krakau 2009, Versailles 2010 und Madrid 2011). Die Uraufführung von Au web ce soir – Ursule 1.1 mit dem Buch und in der Inszenierung von Benjamin Lazar 2010 in Quimper oder die Duoabende mit der Sängerin Emily Loizeau zeigen andere Seiten im Profil Claire Lefilliâtres. 2012 verkörperte sie Clori in Cavallis Egisto in der Regie von Benjamin Lazar an der Opéra Comique und in Rouen, ebenso war sie in Lazars Show Ma Mère Musicienne mit Musik von Vincent Manac’h in Quimper und Rennes zu erleben. In Prag sang sie 2013 Händel und Vivaldi, im Dezember Egisto in Luxemburg und gastierte im Bolschoi Theater mit Rameau. Im Jahr 2014 war sie in der Vierten Sinfonie von Gustav
Mahler zu hören.