Leda fue seducida por Zeus en forma de cisne, pero la misma noche en que yació con él también había yacido con su esposo Tindáreo. Como resultado, puso dos huevos, de uno de los cuales nacieron Cástor y Clitemnestra, que eran hijos de Tindáreo, y del otro, Helena y Pólux, que eran hijos de Zeus. Además, otras hermanas de Clitemnestra eran Febe, Timandra y Filónoe.
Se casó en primeras nupcias con Tántalo, hijo de Tiestes. Tras el asesinato de su esposo y su hijo recién nacido a manos de Agamenón, éste fue obligado por los Dioscuros a desposarse con Clitemnestra. Como esposa de Agamenón, tuvo cuatro hijos: Electra, Ifigenia, Orestes y Crisótemis. En algunas tradiciones, sin embargo, se decía que Ifigenia era en realidad hija de su hermana Helena y de Teseo, pero había sido criada por ella.
Cuando toda la flota aquea estaba en el puerto de Áulide dispuesta a partir a luchar en la guerra de Troya, Agamenón se había ganado la cólera de la diosa Artemisa. Debido a esto, la flota estaba detenida sin poder partir por la ausencia de vientos favorables.
El adivino Calcante fue interrogado para saber cómo aplacar a la diosa, y la respuesta fue que se debía sacrificar a la hija más hermosa de Agamenón en nombre de la diosa Artemisa, para que ésta los dejara partir. El rey al principio se negó pero, presionado por su hermano Menelao, tuvo que enviar un mensaje a Clitemnestra para que hiciera enviar a su hija Ifigenia desde Micenas hasta Áulide con el pretexto de casarla con Aquiles. Luego Agamenón trató de impedir el sacrificio enviando secretamente otra carta a Clitemnestra en la que le decía que no enviara a su hija, pero esta carta fue interceptada y no llegó a su destino. Al no haber otra solución, Agamenón consintió en hacer el sacrificio.
En algunas versiones, Clitemnestra acompañó a su hija en ese viaje. Según cuenta la versión más conocida, cuando Ifigenia llegó y el sacrificio se iba a realizar, la diosa se apiadó de la joven y puso en su lugar una cierva. Se llevó a Ifigenia a Táuride, donde la convirtió en su sacerdotisa.Según cuenta Hesíodo, Artemisa salvó la vida de Ifigenia y la convirtió en la diosa Hécate.
Sin embargo, existen variaciones sobre el tema: según la versión de Sofocles, el sacrificio sí ocurre, y justifica que Clitemnestra, en venganza por la muerte de su hija, mate a Agamenón al volver éste de la Guerra de Troya.
Agamenón había puesto a Clitemnestra bajo la vigilancia de un aedo, pero Egisto, primo de Agamenón, se lo llevó a una isla desierta y sedujo a Clitemnestra, que se convirtió así en su amante. Clitemnestra había sido predispuesta a cometer adulterio debido a que Nauplio había recorrido Grecia para difundir noticias a diversas reinas de que sus maridos estaban tomando concubinas durante la guerra de Troya.
Después de largos años, Agamenón regresó a su patria, pero trajo consigo a Casandra, hija del rey de Troya, Príamo, a la cual había convertido en su amante. Ciega de celos y de ira, Clitemnestra decidióponer fin a la vida de los dos amantes. Gracias a la ayuda de Egisto, mató a su marido y a Casandra. Así podía al fin casarse con Egisto.
Clitemnestra y Egisto reinaron en Micenas y tuvieron una hija, Erígone, pero varios años más tarde murieron a manos de Orestes, que había sido puesto a salvo por su hermana Electra y vengó así la muerte de su padre.
