Chloé Mortaud est née le 19 septembre 1989 à Lisieux dans le Calvados. Fille d'un français et d'une afro-américaine, la jeune Chloé passe son enfance dans l’Ariège, à Bénac. Très tôt sa mère, Brenda, lui transmet son amour pour le chant, le piano et le jazz. Mais c'est pour une autre passion que Chloé Mortaud va montrer un intérêt : celle des concours de beauté.
A tel point qu'en 2008, Chloé Mortaud devient Miss Albigeois Midi-Pyrénées… Avant d'accéder au titre suprême en décembre 2008, celui de Miss France 2009. La remplaçante de Valérie Bègue est ainsi la première Miss France à ne pas être uniquement française, puisqu'elle est aussi américaine. Le 12 décembre 2009, elle est élue troisième dauphine du concours Miss Monde en Afrique du Sud.
Chloé Mortaud est rapidement sollicitée et intègre l’agence de mannequins Elite. Parallèlement, elle débute sur le petit écran en 2009 avec la présentation de l’émission Les Dossiers people sur Direct 8. En 2013, elle participe une émission de danse sur glace sur M6, Ice Show, avec Florent Torres et la coach Surya Bonaly.
Côté vie privée, en couple depuis 2011 avec le pilote de course Romain Thievin, elle partage son temps entre Las Vegas et Los Angeles, où elle poursuit sa carrière de mannequin. En février 2013, le couple donne naissance à un garçon prénommé Matis. En juillet 2019, elle révèle lors d’une interview être séparée du père de son fils depuis 2018. Le 2 décembre 2019, elle poste sur Instagram une photo de son nouveau compagnon sans révéler son identité. Le 12 mars 2020, elle révèle sur Instagram qu'elle s'est fiancée avec son compagnon Dean David Neiger. Le 19 juin 2021, le couple se marie en France. Le 5 décembre 2021, elle annonce sa grossesse sur Instagram. Le 26 mars, elle annonce la naissance de leur fille, Maeva, née le 24 mars 2022.