Clara Ensner naît dans une famille ouvrière sociale-démocrate, où tous les enfants devaient s’engager dans les mouvements ouvriers : à 14 ans, en 1922, elle adhère aux Jeunesses socialistes de Bâle en tant qu’ouvrière dans l’horlogerie. De 1925 à 1927, elle travaille dans la métallurgie à Paris, notamment à Renault, où elle entre dans les Jeunesses communistes et collabore occasionnellement au journal « L’Humanité ». De retour à Bâle, elle rencontre Paul Thalmann qui revient d’URSS et s’oppose au communisme stalinien, et en 1929, alors que celui-ci est exclu du parti, elle le suit dans l’opposition à la ligne du Parti, est également exclue et rejoint les milieux trotskystes et antistaliniens. A partir de là, les deux Thalmann, — puisqu’en 1931, Clara Ensner prend ce nom en épousant Paul — tentent de créer une alternative de gauche au stalinisme. En 1934, après un détour du couple à Schaffhouse et dans les Balkans, les Thalmann deviennent membres du groupe bâlois de l’organisation trotskiste « Die marxistische Aktion der Schweitz » (MAS), qui rejoint en 1935 le Parti Socialiste bâlois.

C’est en Espagne et dans la lutte antifranquiste que les Thalmann connaissent l’expérience la plus radicale en se rapprochant de l’anarchisme. En juillet 1936, Clara Thalmann se rend en Espagne, où elle avait déjà voyagé en 1930 et 1932 avec Paul, pour les Olympiades populaires de Barcelone qui visaient à dénoncer les Jeux olympiques organisés dans le Berlin nazi, en tant que nageuse de la délégation suisse. La guerre civile espagnole se déclenchant avant l’ouverture des Jeux, le 17 juillet 1936, elle rejoint au front les combattants antifascistes anarchistes de la Confédération nationale du travail (CNT). Son mari la rejoint rapidement, puis après une tournée de soutien en Suisse à partir de novembre 1936, ils rejoignent l’Espagne en janvier 1937 et intègrent jusqu’en mars le Groupe international de la Colonne Durruti. En tant qu’anarchistes, ils sont confrontés aux communistes et soviétiques venus porter assistance mais avec l’objectif de contrôler le gouvernement républicain et empêcher le développement de mouvements de gauche autres que la ligne officielle communiste. Le service de renseignements communiste à Barcelone note alors à propos du couple Thalmann : « Tous deux Suisses. Appartement : Calle la Forja 86. Clara Thalmann, employée comme journaliste, est ouvertement trotkyste ». Après les Journées d’insurrection de mai 1937 à Barcelone, où l’armée régulière du Parti Communiste Espagnol combat les groupes anarchistes de la CNT et de la Fédération Anarchiste Ibérique (FAI), le Parti Ouvrier d’Unification Marxiste (POUM) et l’Union Générale des Travailleurs (UGT), ils sont arrêtés et incarcérés à Valence, avant d’être libérés sous la pression de l’Internationale socialiste ouvrière. Ils quittent l’Espagne pour la France en septembre 1937.

A Paris, ils œuvrent pour la libération des prisonniers en Espagne, puis pendant la guerre, ils occupent le pavillon de l’homme politique et résistant français Georges Altman, où ils participent à la création du Groupe révolutionnaire prolétarien, et qui devient un lieu de refuge pour les Juifs, militants antifascistes allemands et autres clandestins, un lieu de réunion politique et un local d’imprimerie clandestine. Ils participent après-guerre au cercle « Liaisons internationales » et au cercle Zimmerwald de Maurice Chambelland. Les Thalmann quittèrent Paris en 1954 pour Nice. Ils y créent avec des camarades « La Séréna », villa où ils accueillent jeunes militants libertaires et gauchistes, qui peuvent venir y consulter leur bibliothèque. Ils poursuivent leur militantisme politique avec des conférences sur la guerre d’Espagne et le rôle des anarchistes, dans les universités en Allemagne et en Suisse. Ils font l’objet de plusieurs films à la télévision allemande en 1966 et à la télévision suisse, en 1973, avec le documentaire « Les Suisses dans la guerre civile espagnole ». En 1977, ils publient leurs mémoires à Hambourg : « Révolution für die Freiheit : Stationen eines politischen Kampfes : Moskau-Madrid-Paris ». Après le décès de Paul, Clara Thalman retourne en Espagne en 1983 avec Augustin Souchy et une équipe de cinéma qui la filme sur ses lieux de militance, et elle participe en 1984 à la Rencontre internationale anarchiste de Venise.