Figlia naturale del "Gran Cardinale" Alessandro Farnese e di una nobildonna francese della quale non si conosce il nome, Clelia nacque nel 1556 dopo un soggiorno del padre in Francia e Alessandro volle darle il suo nome, noncurante dello scandalo.
Fu educata dalla zia Vittoria Farnese duchessa di Urbino e nel 1570 il padre gli fece sposare Giovan Giorgio Cesarini, nobile ma in pessima situazione finanziaria al quale la ricca dote della sposa permise di pagare i pesanti debiti.
Bellissima, almeno per il gusto dell'epoca, e brillante, Clelia ebbe grande successo in società e fu molto corteggiata, in particolare dal cardinale Alessandro de' Medici che in seguito avrebbe abbandonato il sacerdozio per diventare Granduca di Toscana.
Nel 1585 il Cesarini morì e i Farnese, per evitare altri scandali, nel 1587 costrinsero Clelia a risposarsi con Marco Pio di Savoia signore di Sassuolo. L'unione fu infelice e Clelia detestò Sassuolo, quando il marito fu fatto assassinare da un avversario, fu ben lieta di tornare a Roma e stabilirsi a casa del figlio Giuliano Cesarini senza per altro riprendere la vita mondana.
Morì a Roma l'11 settembre 1613.