Formé au Conservatoire du 10e arrondissement de Paris dans la classe de Jean-Louis Bihoreau, Clément Hervieu-Léger fait ses premiers pas à la Comédie-Française en 2000 en interprétant le Greffier dans L’Avare de Molière sous la direction d’Andrei Serban. Après avoir joué dans Une visite inopportune de Copi par Lukas Hemleb et dans Le Privilège des chemins de Fernando Pessoa par Éric Génovèse, il entre en tant que pensionnaire de la Troupe le 1er septembre 2005 et en est nommé sociétaire le 1er janvier 2018. En juillet 2015, il crée le rôle de Günther von Essenbeck dans Les Damnés, d’après le scénario de Luchino Visconti, sous la direction d’Ivo van Hove au Festival d’Avignon, puis Salle Richelieu. En 2019 il interprète Prior Walter et l’homme dans le parc dans Angels in America de Tony Kushner par Arnaud Desplechin.
En tant que metteur en scène, Clément Hervieu-Léger dirige la Troupe dans deux comédies de Molière, La Critique de l’École des femmes et Le Misanthrope, dans une pièce de Marivaux, Le Petit-Maître corrigé et plus récemment, en 2018, dans L'Éveil du printemps de Frank Wedekind. Depuis mai 2010, il codirige avec Daniel San Pedro la Compagnie des Petits Champs, avec laquelle il met en scène L’Épreuve de Marivaux, Monsieur de Pourceaugnac, comédie-ballet de Molière et Lully avec Les Arts Florissants de William Christie et Le Pays Lointain de Jean-Luc Lagarce, présenté notamment au Théâtre national de Strasbourg et à l’Odéon Théâtre de l’Europe. Ce spectacle, joué au Théâtre des Bouffes du Nord, reçoit le Grand prix Théâtre 2020 du Syndicat de la critique. En 2014, la Compagnie crée Le Voyage en Uruguay, première pièce de Clément Hervieu-Léger.
Professeur de théâtre à l’École de danse de l’Opéra national de Paris, Clément Hervieu-Léger donne de nombreux ateliers en France et à l’étranger.
De sa rencontre en 2003 avec Patrice Chéreau naît une collaboration qui durera dix ans. Il l’assiste pour sa mise en scène de Così Fan Tutte de Mozart en 2005 puis signe la dramaturgie de Tristan et Isolde de Wagner en 2007. Patrice Chéreau le fait tourner dans son long métrage Gabrielle, en 2005, et le dirige dans Rêve d’automne de Jon Fosse, monté en 2010. Clément Hervieu-Léger a cosigné avec Georges Banu J’y arriverai un jour et collaboré à Les Visages et les corps, deux ouvrages consacrés à Patrice Chéreau.
Clément Hervieu-Léger est Chevalier dans l’ordre des Arts et Lettres et Chevalier dans l’ordre du Mérite agricole.