Elle est la seconde fille d'Émile Delavenay, un angliciste français originaire de la région de Bonneville, en Haute-Savoie, établi à Londres en 1925 avant de faire carrière à la BBC, à l'Onu et à l'Unesco. Sa mère Muriel Herbert a composé des pièces pour piano et voix, notamment sur des poèmes de James Joyce. Après une éducation française dans un lycée d'Angleterre, Claire Tomalin fait des études de lettres au Newnham College, à Cambridge.
Rédactrice littéraire au New Statesman et au Sunday Times, elle se tourne dans les années 70 vers l'écriture de biographies historiques et littéraires. Les deux premières sont consacrées à Mary Wollstonecraft, une femme de lettres et féministe anglaise de la fin du xviie siècle (1974), et à Katherine Mansfield (1987). Elle s'attache ensuite à retracer la vie de la comédienne Nelly Ternan qui entretint une liaison avec Charles Dickens (The Invisible Woman, 1990), puis celle d'une autre comédienne, Dorothea Jordan, qui fut la maîtresse du roi d'Angleterre Guillaume IV (1994). Sa biographie sur Jane Austen (1997) a fait l'objet d'une demi-douzaine de traductions. Les suivantes sont consacrées à des hommes de lettres : celle sur Samuel Pepys (2002) a été récompensée par plusieurs prix ; les deux dernières se recentrent sur le xixe siècle, avec Thomas Hardy (2007) et Charles Dickens (2011). Presque tous ces ouvrages ont fait l'objet de traductions en une dizaine de langues allant du français au turc et au japonais.
Claire Tomalin a conservé le nom de Nicholas Tomalin(en), un journaliste anglais qu'elle a épousé en 1955 et dont elle a cinq enfants (trois filles et deux garçons). Nicholas Tomalin a été tué au cours de la guerre israélo-arabe de 1973 et Claire Tomalin s'est remariée en 1993 avec le romancier et dramaturge anglais Michael Frayn.
Jane Austen, passions discrètes (trad. de l'anglais par Christiane Bernard et Jacqueline Gouirand-Rousselon), Paris, Autrement, coll. « Littératures », , 411 p. (ISBN2-7467-0011-5).
