Дочь австрийского художника-пейзажиста из старого и знатного бельгийского (точнее голландского) рода ван Мерод, связанного со многими аристократическими семействами Европы.
Закончила балетную школу при Национальной опере в Париже. Выступала на сцене с 11 лет. На Парижской Всемирной выставке 1900 показала «камбоджийские танцы». Танцевала в Фоли-Бержер. Выступала в Гамбурге, Берлине, Петербурге, Будапеште, Нью-Йорке. Отличалась редкой красотой, сделавшей ее любимой моделью многих художников, скульпторов и фотографов эпохи.
Её писали Дега, Тулуз-Лотрек, Болдини, Фридрих Август фон Каульбах, Франц фон Ленбах, фотографировали Леопольд Ройтлингер, Феликс Надар и его сын Поль, почтовые открытки с её изображениями были чрезвычайно популярны в конце XIX — начале ХХ вв. Журнал «Иллюстрасьон» избрал её в 1896 году царицей красоты из 130 современных красавиц.
Скандал в обществе вызвала представленная в Парижском салоне в 1896 году скульптура Александра Фальгьера (1831—1900) «Танцовщица», для которой позировала Клео: хотя она настаивала, что портретной в этой обнажённой скульптуре из белого мрамора была лишь её голова, многие современники считали, что автор использовал муляж тела танцовщицы (это мнение разделял, в частности, Гоген).
Среди многочисленных поклонников Клео де Мерод был бельгийский король Леопольд II, о чём рассказано в мемуарах танцовщицы (посвящённые в эту историю парижане за глаза дразнили короля Клеопольдом).
Похоронена на кладбище Пер-Лашез.