Era hija del Delfín heredero Luis de Francia y de su esposa, María Josefina de Sajonia, y por lo tanto nieta de Luis XV. A la muerte de su abuelo, en mayo de 1774, el hermano mayor de Clotilde, Luis Augusto, se convirtió en el rey Luis XVI.

   Debido a su sobrepeso, Clotilde fue apodada Gros-Madame en su juventud. Ella y su hermana menor Isabel, fueron criadas por Marie Louise de Rohan después de la muerte de su padre en 1765 y su madre en 1767. Debido a que se casó y se fue de Francia poco después de que su hermano accedió al trono, Clotilde no tuvo la oportunidad de formar una relación estrecha con su cuñada, la reina María Antonieta. Clotilde fue descrita como pasiva y apática, que dio el resultado de falta de sensibilidad, pero era, sin embargo, muy cercana a su hermana Isabel, que al parecer sufrió mucho por su partida de Francia.

  El 27 de agosto de 1775, Luis XVI tenía a su hermana Clotilde casada en Versalles por poderes con Carlos Manuel, Príncipe de Piamonte, e hijo mayor del rey Víctor Amadeo III de Cerdeña. Clotilde viajó luego a Turín, donde conoció a su marido en el camino en Pont-de-Beauvoisin y, finalmente, a su suegro y al resto de la corte en Chambéry. La boda oficial tuvo lugar en Turín, y Clotilde había aprendido italiano para cumplir con su papel como eventual reina de Cerdeña. Después de su matrimonio, algunos en la corte francesa dijeron en broma que tal vez a su novio le habían dado dos novias en lugar de una, en referencia a su peso. Su suegro al verla se preocuparía de que su exceso de peso pudiera afectar su capacidad de tener hijos. El novio supuestamente comentó que le habían dado "más que adorar".

Aunque la unión fue arreglada por razones políticas, Clotilde y Carlos Emanuel se enamoraron y estuvieron siempre muy unidos, también unidos por su piedad y una fuerte creencia en la fe católica. El matrimonio, sin embargo, no tuvo hijos. Allí en la Corte italiana se hizo muy amiga de sus cuñadas, María Teresa, Duquesa de Aosta y María Ana, Duquesa de Chablais.

Después de su matrimonio, Clotilde nunca regresó a Francia. La Revolución francesa resultó ser un desastre para su familia. Su hermano mayor, el rey Luis XVI, su esposa, la reina María Antonieta de Austria, y su hermana menor, Isabel, fueron guillotinados. Su hermano menor, Carlos, conde de Artois, escapó de Francia en 1789 y huyó a Turín para permanecer bajo la protección de su suegro, el rey de Cerdeña.

Clotilde también daría refugio a sus tías, María Adelaida de Francia y Victoria de Francia, después de que ellas también lograron escapar.

   En 1796, tras el ascenso de su marido al trono, Clotilde se convirtió en la reina de Cerdeña. El 6 de diciembre de 1798, la República Francesa declaró la guerra a Cerdeña. Carlos Emanuel se vio obligado a abdicar todos sus territorios en la península italiana y a retirarse a la isla de Cerdeña. Como Carlos Emanuel tomó poco interés en la regla de lo que quedaba de su reino, él y Clotilde fueron a vivir a Roma y después a Nápoles como invitados de la rica Familia Colonna.

   Clotilde murió el 7 de marzo de 1802. Carlos Manuel se sintió tan conmovido por su muerte que abdicó el 4 de junio de 1802 en favor de su hermano menor, Víctor Manuel de Cerdeña. Fue enterrada en la iglesia de Santa Caterina a Chiaia, en Nápoles. El Papa Pío VII que había conocido personalmente a Clotilde, la declaró Venerable Clotilde, el 10 de abril de 1808, el primer paso hacia el reconocimiento de su santidad.