Les tendances artistiques de Clémentine-Hélène Dufau se sont manifestées dès son plus jeune âge. Condamnée à l'oisiveté par la maladie, elle décida de faire des dessins et d'utiliser à bon escient le temps qu'elle était contrainte de passer allongée. Son talent s'est avéré si bon qu'elle a pu entamer des études d'art dès qu'il a été établi que ses sœurs étaient mariées et qu'elle ne pouvait pas représenter une charge financière pour ses parents. En 1893, à l'âge de 24 ans, la peintre fit ses débuts au Salon de Paris avec le tableau "Ricochets", où elle exposa régulièrement à partir de ce moment-là. Elle y montrait des enfants jouant au bord de l'eau avec un coup de pinceau sûr et laissait entrevoir son futur potentiel grâce à un savant mélange d'impressionnisme et de réalisme. En 1898, une bourse de 4.000 francs lui permit de faire un voyage en Espagne, en Belgique et aux Pays-Bas, qu'elle savoura pendant toute une année et qui la conduisit au langage formel de l'Art nouveau. Comme de nombreux peintres Art nouveau, elle conçoit avec enthousiasme des cartes postales pour l'Exposition universelle de Paris qui se tient en 1900.

Dans les années qui suivirent, elle fit partie des peintres de premier plan de la capitale française. En 1905, elle fut chargée de la décoration de la salle des autorités de la Sorbonne, qu'elle peignit avec des allégories des domaines de l'astronomie et des mathématiques, avec des représentations de la zoologie et de la géologie ainsi qu'avec les thèmes passionnants de la radioactivité et du magnétisme. Entre 1906 et 1912, elle a décoré la villa privée Arnaga du poète Edmond Rostand, qui s'est fait connaître en 1897 avec Cyrano de Bergerac, à Cambo-les-Bains, dans le sud de la France, entre autres avec des portraits grand format de personnalités. C'est là que Dufau fut en contact avec le plus jeune fils d'Edmond, Maurice, qu'elle admirait passionnément, bien qu'il ne soit pas encore majeur et qu'il soit orienté vers l'homosexualité, après que la mort de sa propre mère ait provoqué en elle une forte dépression. Malgré ces problèmes privés, Dufau devint également plus connu au niveau international et participa par exemple en 1909 à la Xe exposition internationale d'art contemporain. Exposition internationale d'art au Palais royal de verre de Munich et à l'exposition Kunst der Frau, organisée par la Sécession viennoise. En 1909, elle fut même nommée chevalier de la Légion d'honneur. Pendant la Première Guerre mondiale, qui fut une expérience marquante pour de nombreux artistes, Dufau créa des affiches de propagande pour le compte de l'État. En 1930, elle fut l'une des fondatrices de la Société des Femmes Artistes Modernes (FAM), qui abritait des femmes artistes de tous horizons et de tous âges.

Lorsqu'elle mourut en 1937, appauvrie par un cancer de l'estomac, et fut enterrée dans un cimetière parisien pour pauvres, son œuvre était déjà tombée dans l'oubli. Née en 1869, elle a traversé un large éventail de courants artistiques. En partant de l'impressionnisme et du réalisme, en passant par la peinture décorative de l'Art nouveau, les illustrations frappantes dans le cadre de la Première Guerre mondiale, jusqu'au début de la modernité classique. Comme de nombreux artistes de l'entre-deux-guerres, elle n'a pas réussi à percer. Ce n'est que dans les années 1990 que son œuvre a été redécouverte et, depuis, dûment appréciée.