Chiara Tonelli es flautista solista de la Orquesta de Cámara Mahler desde la fundación del grupo, y también es miembro de la Orquesta del Festival de Lucerna.
Durante diez años, Chiara fue la primera flautista solista de la Orchestra del Maggio Musicale Fiorentino de Florencia (bajo la batuta del director titular Zubin Mehta) y, anteriormente, del Teatro Regio de Turín. Además, ha actuado con orquestas como la Orchestra di Santa Cecilia de Roma, la Orquesta Sinfónica de la Radio de Baviera, la Filarmónica de Berlín, la Orquesta Mozart, la Orquesta de Cámara de Europa, la Camerata de Salzburgo, la Orquesta Sinfónica de la Radio Sueca y los Musiciens du Louvre.
Como solista, ha actuado con numerosos conjuntos, como la Orquesta de Cámara Mahler, la Orquesta Haydn, la Orchestra dei Pomeriggi Musicali di Milano, la Orchestra del Maggio Musicale Fiorentino, la Joven Orquesta Gustav Mahler, la Academia de Cuerda de Bolzano, la Orchestra della Toscana, la Orquesta de Cámara de Bérgamo y Brescia, la Filarmónica de Cámara de Salzburgo, la Orquesta Sinfónica de Bucarest y la Orquesta Sinfónica Presidencial de Ankara.
Chiara ha actuado invitada en festivales de música de cámara como el Festival Spannungen de Heimbach, el Storioni Festival de Eindhoven y el Charlottesville Chamber Music Festival de Virginia.
Desde 2005 imparte su propia clase en la Scuola di Musica di Fiesole de Florencia.