Cleo Pires estreou na televisão aos onze anos de idade em uma participação em “Memorial de Maria Moura” (1994). Na minissérie, viveu a protagonista Maria Moura quando criança. A personagem na fase adulta foi vivida por sua mãe, Glória Pires.
Nove anos depois, encontrou a diretora Monique Gardenberg por acaso e foi convidada a estrelar o filme “Benjamin” (2004) cujo roteiro foi baseado no livro homônimo de Chico Buarque. O resultado do longa foi um incentivo à atriz que ganhou o prêmio de Melhor Atriz no Festival do Rio por sua atuação.
Seu trabalho seguinte foi a personagem Lurdinha, em “América” (2005), novela da Globo, escrita por Glória Perez. O papel a projetou nacionalmente e, por conta dele, Cleo recebeu o prêmio de “Melhor Atriz Revelação” da revista Contigo! Lurdinha era uma moça sensual e espontânea, que conquistou o coração de Glauco (Edson Celulari), homem bem mais velho.
Ainda no mesmo ano, interpretou Cleópatra no especial infantil “Clara e o Chuveiro do Tempo”. No ano seguinte, 2006, fez a rebelde Letícia na novela “Cobras e Lagartos”, papel pelo qual recebeu o prêmio “Melhores do Ano” da TV Globo.
Apresentou o programa “Cineview” no canal Telecine Premium, programa que mostrava o universo cinematográfico e seus bastidores. Seu segundo trabalho no cinema foi em “Meu nome não é Johnny” (2008), como Sofia, namorada de João (Selton Mello). O filme, com direção de Mauro Lima, foi baseado no livro homônimo de Guilherme Fiúza.
Em 2008, Cleo viveu a jovem professora Margarida no remake de “Ciranda de Pedra”. No ano seguinte, integrou o elenco da novela “Caminho das Índias”, no papel da indiana Surya, sua primeira vilã.
Após o fim da novela, fez o filme “Lula, o filho do Brasil”.
Em 2010 e 2011 interpretou a índia Estrela, protagonista da novela “Araguaia”. Também filmou a comédia romântica “Qualquer gato vira-lata”, dirigida por Tomas Portella e adaptada por Daniela de Carlo, a partir de uma peça de teatro criada por Juca de Oliveira.
No ano seguinte protagonizou o episódio “O Anjo de Alagoas”, da série “As Brasileiras”, com direção de Daniel Filho. Viveu a urbana e livre Bianca, da novela “Salve Jorge” (2013).
Já no cinema, foi Ana Terra, heroína da primeira fase da obra de Érico Veríssimo, “O Tempo e o Vento” (2013), dirigido por Jayme Monjardim. No ano seguinte foi Kátia, na minissérie O Caçador (2014).
A sequência cinematográfica Qualquer Gato Vira – Lata 2 estreou em 2015 com Cleo revivendo a personagem Tati. No mesmo foi Francis, a protagonista do longa Operações Especiais (2015), com direção de Thomás Portella.
Em 2016 Cleo retorna as novelas com a personagem Tamara em Haja Coração, de Daniel Ortiz. E também integra o elenco da série Super Max (2016) na pele de uma guerrilheira. No cinema é Vivianne mulher do lutador José Aldo, no longa de Afonso Poyart, Mais Forte que o Mundo – A História de José Aldo (2016).
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