Descendente de espanhóis, indígenas e portugueses, ela é a filha mais velha do cantor e ator Fábio Júnior e da atriz Glória Pires. Tem como avô, o humorista Antônio Carlos Pires, como meio-irmão o cantor e ator Filipe Galvão (Fiuk), e, como padrasto o cantor e compositor Orlando Morais. É meia-irmã da atriz Antônia Morais. Foi casada com o ator e comediante João Vicente de Castro. Interpretou a namorada do lutador José Aldo interpretado por José Loreto na minissérie Aldo - Mais Forte que o Mundo na Rede Globo de Televisão.

Estreou como atriz 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 substituída 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. Cleo, 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. Cleo 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-se 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 Giácomo, que levou a melhor após uma bateria de testes.

Despontou para a fama, como uma das grandes revelações da dramaturgia nacional, ao interpretar a ninfeta Lurdinha da novela América, da Rede Globo, em 2005, tornando-se símbolo sexual. Nesse mesmo ano, foi escolhida, numa enquete promovida pela revista Istoé Gente a mulher mais sexy do país. Segundo Cleo, 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 interpretar Cleópatra no especial infantil , Clara e o Chuveiro do Tempo. Também faria uma participação na edição especial do humorístico Casseta & Planeta, Urgente! de fim de ano, porém, devido a problemas de saúde, foi substituída pela cantora Wanessa Camargo.
Em 2006, interpretou a rebelde Letícia de Cobras & Lagartos.
Pelo canal pago Telecine Premium, apresentou o Cineview, programa que mostrava as atualidades do mundo do cinema. Após uma reformulação, a atração passou a chamar-se Moviebox, com apresentação de Daniel de Oliveira. Nesse mesmo período, após quase dois anos de negociações, aceitou ser capa da revista Nova, onde posou usando apenas colares e uma calcinha, esbanjando estilo e sensualidade.

Em 2008, co-protagonizou o remake de Ciranda de Pedra, em que viveu a jovem professora Margarida, uma moça tímida, que apaixona-se pelo bonito e honesto engenheiro Eduardo. Emendando trabalhos, em 2009, integrou o elenco da novela Caminho das Índias, em que interpretou a indiana Surya, sua primeira vilã. Também nesse ano, após a desistência da atriz Juliana Paes em atuar no longa Os Mercenários, de Sylvester Stallone, Cleo foi a escolhida para substituí-la. Entretanto, devido à novela de Glória Perez, sua participação no filme não pôde ser concretizada. O papel acabou ficando com a atriz Giselle Itié. Novamente, foi nomeada uma das 25 mulheres mais sexy do país, pela revista Istoé Gente.

Ainda em 2008, gravou o filme Meu Nome Não é Johnny e no ano seguinte gravou o filme que conta a história de vida do presidente brasileiro Luís Inácio Lula da Silva, Lula, o Filho do Brasil, interpretando a primeira esposa de Lula, Maria Lurdes.

Em agosto de 2010 foi capa da edição brasileira da revista Playboy, numa edição especial com 50 páginas em comemoração aos 35 anos da revista.

Em 2010/2011 interpretou Estela, uma das protagonistas da telenovela Araguaia. No ano seguinte protagonizou o episódio "O Anjo de Alagoas", da série As Brasileiras, dirigida por Daniel Filho. Cleo interpretou Ana Terra na fase jovem do filme O Tempo e o Vento, personagem que foi de sua mãe na minissérie de mesmo nome de 1985.

Entre 2012 e 2013, interpretou a cosmopolita Bianca em Salve Jorge. Em 2014, volta à TV, interpretando a frágil Kátia, esposa de Alexandre (Alejandro Claveaux), que tem um caso com o cunhado, André (Cauã Reymond), em O Caçador.

Em 2016, participa de Haja Coração como Tamara, par romântico de ApoloMalvino Salvador. Também pode ser vista como Sabrina em Supermax, novamente trabalhando com Mariana Ximenes.

Cônjuge: Rômulo Arantes Neto (desde 2013), João Vicente de Castro (de 2010 a 2012)
Irmãos: Antônia Morais, Fiuk, Tainá Galvão, Ana Morais, Krizia Galvão, Bento Morais, Záion Galvão
Pais: Glória Pires, Fábio Júnior