Cleo é a filha mais velha do cantor Fábio Júnior e da atriz Glória Pires, tendo como avô materno, o humorista Antônio Carlos Pires, como meio-irmão paterno o cantor e ator Fiuk, como meia-irmã materna a atriz Antônia Morais e como padrasto o músico Orlando Morais. Também é sobrinha do diretor Heraldo Corrêa – irmão de seu pai – e da autora Margareth Boury, além de prima do ator Guilherme Boury.
Na infância não queria se tornar artista, uma vez que via a imprensa invadindo a privacidade de seus pais. Entre 1999 e 2000 teve uma banda de rock intitulada Seedless, com a qual se apresentou em festivais e bares.
Cleo nasceu cinco anos antes do lançamento da música “Sem Limites pra Sonhar” em 1987, interpretada por seu pai, o cantor Fábio Júnior, com a cantora galesa Bonnie Tyler, que nos anos 80 fez grande sucesso no Brasil e na América Latina.
