Né à Lyon (France), le 9 janvier 1942. Fils de Léon Mandil, diplomate, et de son épouse Renée Mizraki. Marié en 1966 à Annick Goubelle. 5 enfants.
Claude Mandil est diplômé de l'Ecole Polytechnique (promotion 1961, sorti classé 8), de l'Ecole des mines de Paris (entré en 1964, sorti en 1967 classé 5), et finit sa carrière dans l'Administration comme Ingénieur Général au Corps des Mines.
De 1967 à 1974, il travaille comme Ingénieur des Mines à Metz puis à Rennes pour les régions de Lorraine et de Bretagne. De 1974 à 1977, il est chargé de mission à la Délégation de l'Aménagement du Territoire et à l'Action Régionale (DATAR). De 1978 à 1981, il est Directeur Interdépartemental de l'Industrie et de la Recherche et Délégué Régional de l'Agence Nationale pour la Valorisation de la Recherche (ANVAR) pour les Pays-de-la-Loire à Nantes.
En 1981, il devient Conseiller Technique au cabinet du Premier ministre (Pierre Mauroy) où il est responsable, jusqu'en 1982, des secteurs de l'Industrie, de l'Energie et de la Recherche. Il est ensuite nommé Directeur Général de l'Institut de Développement Industriel (IDI), une Banque publique d'investissement, dont il devient Président Directeur Général de 1984 à 1988. Il conduit la privatisation de cette société dans le cadre d'une RES (LMBO) qui intervient en 1987, associant le personnel au capital à hauteur de 40 %. Il est ensuite nommé Directeur Général du Bureau de Recherches Géologiques et Minières (BRGM), fonction qu'il occupe de 1988 à 1990.
De 1990 à 1998, Claude Mandil est Directeur Général de l'Energie et des Matières Premières au Ministère chargé de l'Industrie. Il joue à ce titre un rôle capital dans l'adhésion de la France au Traité de l'Agence Internationale de l'Energie. Il devient le premier représentant de la France au Conseil de direction de l'AIE, Conseil dont il assume la présidence de 1997 à 1998.
De 1991 à 1998, Claude Mandil est également représentant de la France au sein du Groupe de Travail du G7 sur la sûreté nucléaire, Groupe qu'il préside en 1996.
Il est nommé Directeur Général Délégué de Gaz de France en octobre 1998 et jusqu'à 2000, puis Président de l'Institut Français du Pétrole en avril 2000 et jusqu'à 2003.
De 2003 à 2007, il est directeur exécutif de l'Agence Internationale de l'Energie.
A partir de 2008, il est membre du conseil d'administration de Total.