Начала сниматься в кино еще в 1958 году. Ее необычная, ангельская внешность сразу привлекла к себе внимание, и актриса получила несколько крупных предложений. В частности Кардинале исполнила одну из главных ролей в исторической драме Абеля Ганса «Аустерлиц». 

Однако настоящая известность пришла к ней только в 1960 году, после того, как она снялась в фильме Лукино Висконти «Рокко и его братья», сыграв жену старшего брата Паронди. 

 

Висконти также снял Кардинале в фильмах «Леопард» (1962), «Туманные звезды Большой Медведицы» (1965) и «Семейный портрет в интерьере» (1974). 

В 1963 году Кардинале снялась в фильме Федерико Феллини «8 ½». 

В 60-е актриса снимается не только в Италии, но и в других странах. Примечательные некоторые ее американские работы, в частности картины «Розовая пантера» (1963), «Мир – это цирк» (1963), «Потерянная команда» (1966), «Профессионалы» (1966), «Не гони волну» (1967), «Дьявол с героями» (1968) и «Чудесная пара» (1969). 

В 70-е и 80-е годы Кардинале перешла на сложные психологические роли. К ее лучшим картинам этого периода относятся «Фицкарральдо» Вернера Херцога, «Красная палатка» Михаила Калатозова, «Аудиенция» Марко Феррери и «Шкура» Лилианы Кавани. 

За вклад в киноискусство в 1988 году актриса получила итальянскую национальную премию «Давид Донателло», а в 1997-м стала офицером ордена Почетного легиона Франции. 

Всего фильмография Клаудии Кардинале насчитывает свыше ста кинокартин.