Klara Castanho deu início à sua carreira como modelo aos 9 meses de idade, quando posou para um catálogo de moda. A partir dessa experiência, ela passou a gravar comerciais e já participou de mais de 60 propagandas.
Em Mothern, no GNT, a atriz estreou como Bel, mas foi em 2008 na novela Revelação do SBT que teve sua primeira aparição na TV aberta, interpretando Daniela, uma menina engraçada que frequentemente constrangia seus pais.
Em 2009, seu papel como Rafaela em Viver a Vida chamou a atenção, sendo a primeira vilã-mirim da história das telenovelas da Globo e lhe rendendo o prêmio de Melhor Ator ou Atriz Mirim do ano em março de 2010.
No entanto, a justiça brasileira interveio na novela por preocupação de que a atriz não tivesse maturidade para diferenciar a ficção da realidade. O autor Manoel Carlos adaptou a trama e, após o término da novela, a atriz assinou um contrato de dois anos com a Rede Globo.
Em 2011, a atriz Klara Castanho interpretou a personagem Tonica na telenovela Morde & Assopra, filha de Abner (Marcos Pasquim). No ano seguinte, em 2012, ela interpretou Clara em Amor Eterno Amor, uma jovem que vê espíritos e se comunica com eles.
Em 2013, ela foi escalada para interpretar Paulinha, filha perdida da protagonista Paloma (Paolla Oliveira), na telenovela Amor à Vida.
Em 2015, ela atuou como Alice Ventura em Além do Tempo, e em 2016, ela estrelou no filme É Fada!, ao lado de Kéfera Buchmann, e também atuou no filme Chocante como a personagem Dora. No mesmo ano, Klara estreou nos palcos na peça Aprendiz de Feiticeiro, interpretando a princesa Lady Jane.
Em 2017, ela atuou no filme Tudo por um Popstar como Manu, uma das protagonistas, juntamente com Maisa Silva e Mel Maia. Ela também interpretou Maria Teodora no documentário 1817: A Revolução Esquecida.
Em 2018, Klara participou da segunda temporada do talent show Popstar, da Rede Globo, e gravou a série Mal Me Quer, da Warner Channel, interpretando Manuela, uma garota enfrentando problemas familiares.
Em 2019, ela gravou o filme DPA 3 – Uma Aventura no Fim do Mundo, interpretando a bruxa má Dunhoca. Klara também recebeu um convite para participar do Big Brother Brasil 20, mas recusou devido a outros compromissos profissionais.
Thalita Rebouças escreveu o roteiro de um filme para a Netflix que foi filmado em 2020. O título do filme é Confissões de uma Garota Excluída, e foi lançado pela Netflix em 22 de setembro de 2021. Klara interpretou a personagem principal, Tetê, uma adolescente que se sente excluída tanto na escola quanto em casa.
No ano seguinte, em 2021, Klara atuou no filme Galeria Futuro e também começou a trabalhar na série da Netflix De Volta aos 15. Nessa série, ela interpreta a personagem Carol, a prima adolescente da personagem principal, Anita.
Sendo católica romana, Klara percorreu 130km através do Caminho da Fé, partindo de Paraisópolis, no sul de Minas Gerais, até chegar à Basílica de Nossa Senhora Aparecida em janeiro de 2023. A atriz compartilhou os detalhes da jornada em suas redes sociais, expressando sua gratidão à Santa e fortalecimento de sua fé em Deus.
“Sou muito grata à Nossa Senhora Aparecida por me acolher, por escutar as minhas angústias e súplicas. A fé nela e em Deus me fortalece. Eles fazem eu manter a minha cabeça erguida e me dão forças para lutar”, contou.