Клер Уэмлингер (англ. Claire Wemlinger) родилась в Бруклине 8 марта 1910 года в семье портного и его жены. Её предками были выходцы из Ирландии и Франции. В конце 1920-х годов, после окончания Американской академии драматических искусств, она начала свою театральную карьеру. Первый успех к ней пришёл в 1932 году на Бродвее, а годом позже она дебютировала в кино. В последующие пять лет Клер Тревор снялась в тридцати фильмах, причём в основном в главных ролях. В 1937 году она снялась вместе с Хамфри Богартом в фильме «Тупик», роль в котором была отмечена для неё номинацией на «Оскар».
С конца 1930-х годов актриса часто снималась вместе с Джоном Уэйном в вестернах, среди которых «Дилижанс» (1939), ставший классикой жанра, «Восстание Аллегени» (1939) и «Чёрная команда» (1940). Другими знаменитыми её ролями того времени являются миссис Грейл в «Это убийство, моя милочка» (1944), с Диком Пауэллом в главной роли, и Хелен в «Рожденный убивать» (1947).
В 1948 году Клер Тревор стала обладательницей премии «Оскар» как «лучшая актриса второго плана» в фильме «Ки-Ларго». Все эти многочисленные роли «плохих девушек» в триллерах и вестернах закрепили за ней прозвище «Королева фильмов нуар». Актриса ещё раз стала номинанткой на «Оскар» в 1954 году за свою роль в фильме «Великий и могучий».
В 1958 году Клер Тревор стала обладательницей «Эмми» за исполнение главной роли в телевизионном телесериале «Дедсворт». В дальнейшем она продолжала периодически сниматься в кино, в то же время появлялась на телевидении и в театре. В это время она уже не играла «бандиток», ограничиваясь подходящими для неё ролями женщин средних лет и матерей. Последний раз в кино Тревор появилась в 1982 году в фильме «Поцелуй меня на прощанье». В 1998 году она появилась в качестве гостя на 70-ой церемонии вручения премии «Оскар».
За свой вклад в киноиндустрию Клер Тревор удостоена звезды на Голливудской аллее славы в Лос-Анджелесе. Школа искусств при филиале Калифорнийского университета в Ирвайне, которой актриса посвятила много своего времени, была названа после её смерти в её честь.
В 1938 году Клер Тревор вышла замуж за продюсера Кларка Эндрюса, но четырьмя годами позже они развелись. В 1943 году её мужем стал Сайлос Уилльям, от которого она родила сына Чарльза. Второй брак тоже не удался и в 1947 году супруги расстались. Год спустя она вновь вышла замуж за продюсера Милтона Брина и переехала жить в Калифорнию в Ньюпорт-Бич. В 1978 году в авиакатастрофе погиб её сын Чарльз, а в следующем году не стала мужа, который умер от опухоли мозга.
Клер Тревор умерла в калифорнийским городе Ньюпорт-Бич 8 апреля 2000 года от дыхательной недостаточности в возрасте 90 лет. Она была кремирована, а её прах развеян в океане.