Après avoir suivi des cours de danse, Clémentine Céleste Marchand a rejoint l'École nationale supérieure des arts de Paris-Cergy (ENSAPC) où elle a étudié la comédie. Elle a ensuite poursuivi sa formation à l'Académie américaine de musique et d'art dramatique de Los Angeles (California).
Elle a commencé sa carrière en 2001, avec des apparitions dans des émissions de télévision françaises. En 2003, elle a obtenu un rôle régulier dans la série télévisée *Joséphine, ange gardien*. Elle s'est fait connaître en France grâce à sa performance dans le film *Les Choristes* (2004) de Christophe Barratier, dans lequel elle a interprété le rôle d'Yvonne.
En 2006, elle a joué dans la comédie musicale *Notre-Dame de Paris*, adaptée du roman de Victor Hugo et du spectacle de Riccardo Cocciante. Elle a également participé à plusieurs productions théâtrales, notamment à *La Guerre des tuques* en 2010 et à la pièce *Ma vie en rose* en 2013.
En parallèle à sa carrière d'actrice, Clémentine Céleste Marchand a également poursuivi une carrière musicale. En 2008, elle a sorti son premier album intitulé *À corps perdu*. Elle s'est ensuite produite sur scène lors de concerts à Paris et à Londres.
En 2016, Clémentine Céleste Marchand a été choisie pour interpréter le rôle principal féminin dans la comédie musicale *Miss Saigon*, adaptation du spectacle de Claude-Michel Schönberg et Alain Boublil.
Clémentine Céleste Marchand est également engagée dans des activités caritatives. Elle est membre du conseil d'administration de l'Association française contre les myopathies (AFM), dont elle a été la marraine pendant plusieurs années.