É a filha mais velha do cantor e ator Fabio Junior e da atriz Gloria Pires. Tem como avô, o humorista Antonio Carlos Pires, como irmão o cantor e ator Filipe Galvão (Fiuk), e, como padrasto o cantor e compositor Orlando Morais.
Estreou como atriz, ainda muito pequena, ao participar da minissérie Memorial de Maria Moura, em 1994. Foi uma participação rápida, de apenas um capítulo, em que viveu a protagonista, Maria Moura, quando jovem, sendo substituído pela mãe, Glória Pires, na fase adulta da personagem.
Depois disso, distanciou-se da TV e da mídia, acreditando que não tinha vocação para seguir os passos da mãe. Cléo, diz, que via a Glória trabalhando dia e noite sem parar, a imprensa invadindo sua privacidade e o telefone tocando o tempo todo, e, que não desejava isso para seu futuro. Ela ainda conta que só não firmou-se no meio antes, por falta de vontade. Não que tivesse nada contra a carreira, mas era algo que não pensava, não passava por sua cabeça.
Um fato curioso, é que mesmo o cinema sendo uma de suas paixões, quando perguntavam se queria ser atriz, logo pensava em novelas e teatro, coisas em que não tinha interesse, nem curiosidade.
Até que, em 2003, encontrou Monique Gardenberg num banheiro, e, foi convidada a estrelar o filme Benjamim. Cléo afirma que surpreende-se por tamanha confiança depositada nela e que por esse motivo aceitou o convite. Depois de muito treinar e muitos ensaios, já que nunca havia feito cinema antes, rodou a película, cujo roteiro foi baseado no livro homônimo de Chico Buarque.
Assim que finalizou o trabalho e viu o resultado, apaixonou pela profissão e decidiu que era isso mesmo o que queria. Mesmo sem nunca ter feito um curso de interpretação, pela sua atuação, recebeu elogios e concorreu a vários prêmios na categoria de Melhor Atriz, vencendo o Festival do Rio.
Em 2004, foi convidada a protagonizar o remake da novela Cabocla, no papel que foi interpretado por sua mãe, na versão de 1979. Para evitar comparações, e, por acreditar que seria muita responsabilidade protagonizar uma novela e que não tinha preparo suficiente, recusou o convite, sendo substituída pela atriz Vanessa Giacomo, que levou a melhor após uma bateria de testes.
Despontou para a
fama, como uma das grandes revelações da dramaturgia nacional, ao interpretar a
nifeta Lurdinha da novela America, da
Rede Globo, em 2005, tornando-se símbolo sexual. Nesse mesmo ano, foi eleita pela revista Istoe Gente
a mulher mais
sexy do país, entre 25 nomeadas.
Segundo Cléo, só aceitou o convite para fazer
a novela por conhecer o trabalho tanto da autora quanto de seu diretor, e, com
isso, acreditar que seria uma boa experiência para sua vida. Ainda em 2005,
esteve presente na programação especial de final de ano da Globo, ao interpreter Cleopatra no especial infantil , Clara e o chuveiro do Tempo.
Pela primeira vez, Cléo, trabalhou ao lado da mãe. Um trabalho rápido, de apenas uma única cena, em que Cléo vive Lurdes, a primeira mulher de Lula, e, Glória Pires interpreta a mãe do político, Dona Lindú.
Consagrada no meio artístico, Cléo disse em entrevista, que a carreira de atriz ainda é uma incógnita em sua vida.
Em agosto de 2010 foi capa da edicao brasileira da revista Playboy, numa edição especial com 50 páginas em comemoração aos 35 anos da revista.
Em 2010, interpreta Estela, uma das protagonistas da telenovela Araguaia, fazendo um triângulo amoroso ao lado de Murilo Rosa e Milena Toscano.
