Pom Klementieff naît au Québec, au Canada, d'un père d'origine russe et française et d'une mère coréenne. Après avoir habité plusieurs pays, sa famille finit par s'installer en France.
Elle participe à la classe libre du célèbre Cours Florent1. Elle fait ensuite quelques apparitions dans Après lui de Gaël Morel et dans la comédie dramatique Sans arme, ni haine, ni violence, de Jean-Paul Rouve.
En 2009, elle obtient un rôle récurrent dans la série de Canal + Pigalle, la nuit ainsi que le premier rôle féminin de Loup, film écologique de Nicolas Vanier, qui la révèle à l'âge de 23 ans.
L'année 2011 est marquée par la sortie de deux longs-métrages : la comédie Une pure affaire, première réalisation d'Alexandre Coffre ; et le thriller Nuit blanche, quatrième film de Frédéric Jardin. Elle y incarne un personnage secondaire, et y côtoie une distribution menée par Tomer Sisley, JoeyStarr, Julien Boisselier et Lizzie Brocheré.
En 2012, elle apparait dans des projets attendus d'apprentis cinéastes : d'abord la comédie romantique L'amour dure trois ans, adaptation de Frédéric Beigbeder de son propre roman ; puis fait un caméo dans la comédie de bande Radiostars, première réalisation du scénariste Romain Levy (co-auteur de Une pure affaire). Enfin, elle est l'une des actrices principales de la comédie à succès Les Kaïra, réalisée par Franck Gastambide.
Après un petit rôle dans la comédie Paris à tout prix, premier film de la comédienne Reem Kherici en tant que scénariste-réalisatrice, elle débarque à Hollywood en rejoignant la distribution principale du thriller Old Boy, remake par Spike Lee du thriller coréen éponyme de Park Chan-wook. Le film est cependant un gros échec commercial.
La comédienne persévère aux États-Unis dans un projet plus modeste : elle partage l'affiche de la romance noire Hacker's Game avec Chris Schellenger, second long-métrage américain du compositeur d'origine française Cyril Morin.
L'année 2017 est celle d'une nouvelle percée médiatique : elle évolue dans la comédie dramatique indépendante Ingrid Goes West, écrite et réalisée par Matt Spicer. Elle y retrouve sa partenaire de Old Boy, Elizabeth Olsen, entre-temps devenue une star. Comme cette dernière, elle passe par l'univers cinématographique Marvel pour s'imposer commercialement : en effet, elle prête ses traits au personnage de Mantis dans le blockbuster Les Gardiens de la Galaxie Vol. 2, de James Gunn ainsi que dans le film Avengers: Infinity War, de Anthony et Joe Russo, sorti le 25 avril 2018 en France.
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