Laine non iniziò a cantare professionalmente fino ai suoi vent’anni. Le sue prime influenze come cantante furono Ella Fitzgerald, Sarah Vaughan, Judy Garland e Lena Horne. All’età di 24 anni fece un’audizione con successo per il piccolo gruppo di John Dankworth, il Dankworth Seven, e successivamente per la sua orchestra, con la quale si esibì fino al 1958. Dankworth e Laine si sposarono quell’anno in segreto all’ufficio del registro di Hampstead. Gli unici testimoni furono l’amico della coppia, il pianista Ken Moule, e l’arrangiatore di Dankworth, David Lindup. La coppia ha avuto due figli, entrambi musicisti di successo: Alec, che vive negli Stati Uniti, e Jacqui, una cantante britannica che ha pubblicato un certo numero di album.
Fece la protagonista in un nuovo spettacolo al Royal Court Theatre di Londra, casa della nuova ondata di drammaturghi degli anni 50 come John Osborne e Harold Pinter. Questo portò ad altre performance teatrali, come il musical Valmouth nel 1959, la commedia A Time to Laugh (con Robert Morley e Ruth Gordon) nel 1962, Boots With Strawberry Jam (con John Neville) nel 1968, e infine al suo ruolo di Julie La Verne nella produzione di Wendy Toye di Show Boat all’Adelphi Theatre di Londra nel 1971. Show Boat ebbe la sua corsa più lunga fino ad oggi in quella stagione londinese con 910 spettacoli messi in scena.
Durante questo periodo, ebbe due importanti successi discografici. “You’ll Answer to Me” raggiunse la Top 10 britannica mentre la Laine fu “primadonna” nella produzione del Festival di Edimburgo del 1961 dell’opera/balletto The Seven Deadly Sins di Kurt Weill, diretta e coreografata da Kenneth MacMillan. Nel 1964 il suo album Shakespeare and All that Jazz con Dankworth fu ben accolto. Dankworth e Laine fondarono il teatro Stables nel 1970 in quello che era il vecchio blocco di stalle nel terreno della loro casa. Fu un successo immediato, con 47 concerti tenuti nel primo anno.
L’attività internazionale di Laine iniziò nel 1972, con un primo tour di successo in Australia, dove pubblicò sei album top-100 nel corso degli anni ’70. Poco dopo, la sua carriera negli Stati Uniti fu lanciata con un concerto al Lincoln Center di New York, seguito nel 1973 dalla prima di molte apparizioni alla Carnegie Hall. Seguirono presto tour coast-to-coast negli Stati Uniti e in Canada, e con essi una successione di dischi e apparizioni televisive, incluso il Muppet Show nel 1977. Questo portò, dopo diverse nomination, al suo primo premio Grammy, in riconoscimento della registrazione dal vivo del suo concerto alla Carnegie del 1983. Ha continuato a girare periodicamente, anche in Australia nel 2005.
Ha collaborato con James Galway, Nigel Kennedy, Julian Lloyd Webber e John Williams. Altre registrazioni importanti in quel periodo sono stati gli album di duetti con Ray Charles (Porgy and Bess) e Pierrot Lunaire di Arnold Schoenberg, per il quale ha ricevuto una nomination ai Grammy Award.
Il rapporto di Laine con il teatro musicale è iniziato in Gran Bretagna ed è continuato negli Stati Uniti con performance da protagonista in A Little Night Music di Sondheim e The Merry Widow di Franz Lehár (Michigan Opera). Nel 1980 ha recitato in Colette, un musical di Dankworth. Lo spettacolo iniziò al teatro Stables, Wavendon, nel 1979 e si trasferì al Comedy Theatre, Londra, nel settembre 1980. Nel 1985 interpreta il ruolo della principessa Puffer nel musical di Broadway The Mystery of Edwin Drood, per il quale riceve una nomination ai Tony. Nel 1989 ricevette il plauso della critica di Los Angeles per la sua interpretazione della Strega in Into the Woods di Sondheim.
Nel maggio 1992, Laine apparve con Frank Sinatra per una settimana di concerti alla Royal Albert Hall di Londra.
Dalla fine degli anni ’90, i concerti di Laine fecero il tutto esaurito in tutto il mondo, solitamente supportati da Dankworth con la sua band, orchestra o gruppo minore. La sua solita band comprendeva John Horler (piano), Alec Dankworth (basso), Allan Ganley (batteria) e Mark Nightingale (trombone).
L’autobiografia di Laine, Cleo, fu pubblicata nel settembre 1994 da Simon & Schuster. Il suo secondo libro, You Can Sing If You Want To, è stato pubblicato da Victor Gollancz nell’ottobre 1997. Nel 2000, è apparsa come vocalist Gwen nel film The Last of the Blonde Bombshells.
Nella lista degli onori di Capodanno del 1997, Laine è diventata Dame Commander, ed è stata nominata Dame Cleo Laine DBE. Nella lista delle onorificenze del 2006, suo marito fu nominato cavaliere scapolo, diventando Sir John Dankworth. Erano una delle poche coppie in cui entrambi i partner detenevano i loro titoli a pieno titolo e l’unica coppia nel jazz ad essere così riconosciuta.
Dankworth morì il 6 febbraio 2010, ore prima di un concerto previsto al teatro Stables di Wavendon per celebrare il 40º anniversario del locale. Era malato da diversi mesi dopo un tour di concerti negli Stati Uniti. Nonostante il suo dolore, Laine si esibì al concerto per il 40° anniversario, insieme alla John Dankworth Big Band e a diversi membri della sua famiglia – annunciando la sua morte solo alla fine. La decisione di Laine di esibirsi apparve sulle prime pagine dei giornali di tutto il mondo, compresa una sua fotografia completa sulla prima pagina del Times.
Una settimana dopo la morte di Dankworth, Laine sostituì il suo defunto marito e apparve di nuovo in concerto a Pinner, nel nord ovest di Londra. Laine continuò ad esibirsi e a rilasciare interviste nei mesi successivi alla morte di Dankworth. Si è esibita come headline act al Music in the Garden festival a Wavendon nel giugno e luglio 2010.
Nel marzo 2010, l’ultima collaborazione musicale di Laine e Dankworth è stata pubblicata su CD e per il download – Jazz Matters. La registrazione comprendeva la Dankworth Big Band che suonava nuove composizioni scritte da Dankworth per l’esibizione della coppia ai Proms del 2007 alla Royal Albert Hall.
Laine è famosa non solo per il suo stile interpretativo, ma anche per la sua gamma di quasi quattro ottave e la sua adattabilità vocale. Oltre a colpire note profonde e soul, lo scatting e le note alte di Laine sono diventate la sua firma. Anche se la sua gamma naturale è quella di un contralto, è in grado di produrre un Sol sopra il Do alto. Derek Jewel del Sunday Times l’ha soprannominata “semplicemente la migliore cantante del mondo”.