Fille d’une mère enseignante et d’un père musicien, elle entre en hypokhâgne au lycée Henri-IV de Paris. Elle est ensuite admise à l’Institut d’études politiques de Paris, où elle consacre son stage à la production de son premier opus, Le Sac des filles, en 2002. À sa sortie fin 2002, l’album connaît un accueil mitigé de la critique, ce qui n’empêche pas plusieurs titres d’intégrer la playlist de France Inter ou de FIP (Paris, Le Sac des filles, Les ex).
Les multiples collaborations suivant cette première parution attirent l’attention sur la jeune chanteuse. En plus des albums de Magic Malik, Gérard Manset ou Sébastien Martel, elle fait une prestation remarquée sur l’album-DVD de Jean-Louis Murat, Parfum d’acacia au jardin (2004). Elle collabore ensuite au projet Nouvelle Vague, se proposant de reprendre des classiques new wave en version bossa nova. Chanteuse principale de l’album (4 chansons pour elle seule), elle est une artisane majeure du succès que rencontre l’album et la tournée estivale qui suivit où son extravagance ravit.
En 2005 sort l’album Le Fil, un album au concept étonnant, construit sur le « fil » ou le « bourdon » : une seule note, un si en l’occurrence, qui forme un long segue du début à la fin de l’album (et même pendant 35 minutes après la dernière chanson). Co-arrangées par le réalisateur anglais MaJiKer, toutes les chansons sont construites sur une exploration de la voix, avec pour seul instrument une contrebasse et parfois un clavier. Sur scène, Camille reproduit ce minimalisme. Elle utilise l’oversampling pour retrouver la complexité des arrangements vocaux de l’album. Sly (beatbox), MaJiKer (piano, accordéon) et Martin Gamet (contrebasse, basse) l’accompagnent. Cette fois la critique est unanime et salue l’originalité de l’œuvre. Le single Ta douleur fait un carton et Camille enchaîne interviews et passages télévisés. Douze mois après sa sortie, l’album est disque de platine, il approche les 500 000 exemplaires vendus. Tandis que le prix Constantin puis deux Victoires de la musique confirment l’adhésion de la profession, la longue tournée qui suit démontre l’engouement du public. Également en 2006, suite logique de cette tournée, sort son album Live au Trianon, enregistré les 17 et 18 octobre de l’année précédente. S’ensuit une série de concerts à l’étranger. En juin 2006, Camille chante les Ceremony of Carols de Benjamin Britten, et une création autour de 12 prières du monde.
Elle fait une apparition remarquée sur un titre de l’album Hold Up du Saian Supa Crew, intitulé Si j’avais su qui est une des chansons les plus poignantes de l’album.
Son troisième album studio, en anglais, intitulé Music Hole, est sorti le 7 avril 2008.
Elle reçoit en 2009 une récompense dans la catégorie « Artiste Interprète Féminine » de l’année aux 24e victoires de la musique et chante un duo sulfureux avec Etienne Daho, Rendez-Vous Au Jardin Des Plaisirs lors du Prix Constantin 2009, puis en version studio.
Camille apparaît au cinéma. En 2001, elle figure dans Les Morsures de l’aube, le premier film d’Antoine de Caunes, où elle incarne une chanteuse. Elle fait également la voix française du personnage de Colette dans Ratatouille, un film du studio d’animation Pixar, sorti en août 2007. Elle interprète aussi la chanson Le Festin du générique de
ce film.