Chantal Goya fait de la figuration aux Studios de Boulogne comme en 1963 dans le film Charade de Stanley Donen. Puis elle obtient le premier rôle du film Masculin, féminin de Jean-Luc Godard qui sort en 1966, auprès de Jean-Pierre Léaud, Marlène Jobert et Brigitte Bardot. Le film sera interdit aux moins de 18 ans puisque le personnage de Chantal Goya y parle sans ambages d'avortement.
Elle enchaînera avec quelques films d'auteur, mis en scène par Jean-Daniel Pollet, Philippe Labro, Didier Kaminka ou Pierre Tchernia, et donnera ainsi la réplique à Bernadette Lafont, Claude Jade, Jean-Pierre Marielle, Serge Gainsbourg, Fabrice Luchini, Michel Serrault, Philippe Noiret ou Gérard Depardieu mais jamais encore à son cousin Claude Rich.
