Roy war der Sohn des Malers Felicien Roy (1872–1947). Seine Schulzeit absolvierte er am Lycée Montaigne, später wechselte er an das Lycée d’Angoulême. Während diesen Jahren verbrachte er oft seine Ferien in Jarnac (Département Charente) und schloss dort Freundschaft mit François Mitterrand. Später begann er an der Universität Bordeaux zu studieren und 1935 wechselte er an die Universität von Paris um Rechtswissenschaften zu studieren.
Parallel zu seinen Studien interessierte sich Roy für die Philosophie Lenins, Nietzsches und Spenglers und begeisterte sich auch für die Werke Baudelaires, Gides und Prousts. Während seines Studiums machte er auch die Bekanntschaft der Camelots du roi, interessierte sich für die Politik der Action directe und schloss sich der Féderation nationale des étudiants d’action directe an.
Bei Ausbruch des Zweiten Weltkriegs absolvierte Roy seinen Militärdienst. Im Juni 1940 geriet er in Kriegsgefangenschaft und konnte im Oktober desselben Jahres in die Zone libre flüchten. Ab Frühjahr 1941 unterstützte Roy die Résistance, wo er u. a. mit Louis Aragon, Jean Giraudoux und Elsa Triolet zusammenarbeitete.
Nach Kriegsende begann Roy für die Zeitschriften Combat und Libération zu schreiben. Er berichtete u. a. vom Aufstand in Ungarn und distanzierte sich danach vom Kommunismus. Ab 1957 schrieb er regelmäßig für den France Observateur und stand der französischen Politik immer kritisch gegenüber. Er lehnte die „Französische Doktrin“ ab und gehörte im September 1960 zu den Unterzeichnern des Manifests der 121.
1958 ließ sich die Schauspielerin Loleh Bellon (1925–1999) von ihrem Ehemann Jorge Semprun scheiden und heiratete wenige Wochen später in Paris Claude Roy.
Claude Roy erlag am 13. Dezember 1997 seinem Krebsleiden in Paris und fand dort auch seine letzte Ruhestätte.
