Laine n’a commencé à chanter professionnellement qu’au milieu de la vingtaine. Ses premières influences en tant que chanteuse sont Ella Fitzgerald, Sarah Vaughan, Judy Garland et Lena Horne. Elle auditionne avec succès, à l’âge de 24 ans, pour le petit groupe de John Dankworth, les Dankworth Seven, puis pour son orchestre, avec lequel elle se produit jusqu’en 1958. Dankworth et Laine se sont mariés cette année-là en secret au Hampstead Register Office. Les seuls témoins sont l’ami du couple, le pianiste Ken Moule, et l’arrangeur de Dankworth, David Lindup. Le couple a eu deux enfants, qui sont tous deux des musiciens à succès : Alec qui vit aux États-Unis, et Jacqui, une chanteuse britannique qui a sorti plusieurs albums.
Elle a joué le rôle principal dans une nouvelle pièce au Royal Court Theatre de Londres, foyer de la nouvelle vague de dramaturges des années 1950, comme John Osborne et Harold Pinter. Cela l’amène à jouer d’autres rôles sur scène, comme la comédie musicale Valmouth en 1959, la pièce A Time to Laugh (avec Robert Morley et Ruth Gordon) en 1962, Boots With Strawberry Jam (avec John Neville) en 1968, et enfin le rôle de Julie La Verne dans la production de Show Boat de Wendy Toye au Adelphi Theatre de Londres en 1971. Show Boat a connu sa plus longue série à ce jour lors de cette saison londonienne avec 910 représentations mises en scène.
Pendant cette période, elle a connu deux grands succès discographiques. « You’ll Answer to Me » atteint le Top 10 britannique tandis que Laine est « prima donna » dans la production du Festival d’Édimbourg 1961 de l’opéra/ballet The Seven Deadly Sins de Kurt Weill, mis en scène et chorégraphié par Kenneth MacMillan. En 1964, son album Shakespeare and All that Jazz avec Dankworth est bien accueilli. Dankworth et Laine ont fondé le théâtre Stables en 1970 dans ce qui était l’ancien bâtiment des écuries dans le parc de leur maison. C’est un succès immédiat, avec 47 concerts donnés la première année.
L’activité internationale de Laine commence en 1972, avec une première tournée réussie en Australie, où elle sort six albums classés dans le top-100 tout au long des années 1970. Peu après, sa carrière aux États-Unis est lancée par un concert au Lincoln Center de New York, suivi en 1973 par la première de nombreuses apparitions au Carnegie Hall. Des tournées d’un bout à l’autre des États-Unis et du Canada ont rapidement suivi, ainsi qu’une succession d’albums et d’apparitions à la télévision, dont le Muppet Show en 1977. Après plusieurs nominations, elle a reçu son premier Grammy Award, en reconnaissance de l’enregistrement en direct de son concert à Carnegie Hall en 1983. Elle a continué à faire des tournées périodiques, notamment en Australie en 2005.
Elle a collaboré avec James Galway, Nigel Kennedy, Julian Lloyd Webber et John Williams. D’autres enregistrements importants durant cette période sont des albums en duo avec Ray Charles (Porgy and Bess) ainsi que le Pierrot Lunaire d’Arnold Schoenberg, pour lequel elle a été nommée aux Grammy Awards.
La relation de Laine avec le théâtre musical a commencé en Grande-Bretagne et s’est poursuivie aux États-Unis avec des prestations en vedette dans A Little Night Music de Sondheim et La Veuve joyeuse de Franz Lehár (Michigan Opera). En 1980, elle est la vedette de Colette, une comédie musicale de Dankworth. Le spectacle a débuté au Stables Theatre, Wavendon, en 1979 et a été transféré au Comedy Theatre, Londres, en septembre 1980. En 1985, elle a interprété le rôle de la princesse Puffer dans la comédie musicale de Broadway The Mystery of Edwin Drood, pour laquelle elle a été nommée aux Tony. En 1989, elle est acclamée par la critique de Los Angeles pour son interprétation de la Sorcière dans Into the Woods de Sondheim.
En mai 1992, Laine se produit avec Frank Sinatra pour une semaine de concerts au Royal Albert Hall de Londres.
À la fin des années 1990, les concerts de Laine font salle comble dans le monde entier, généralement soutenue par Dankworth avec son groupe, son orchestre ou un plus petit groupe. Son groupe habituel comprenait John Horler (piano), Alec Dankworth (basse), Allan Ganley (batterie) et Mark Nightingale (trombone).
L’autobiographie de Laine, Cleo, a été publiée en septembre 1994 par Simon & Schuster. Son deuxième livre, You Can Sing If You Want To, a été publié par Victor Gollancz en octobre 1997. En 2000, elle est apparue en tant que chanteuse Gwen dans le film The Last of the Blonde Bombshells.
Dans la liste des honneurs du Nouvel An 1997, Laine est devenue Dame Commandeur, et elle a été nommée Dame Cleo Laine DBE. Dans la liste des honneurs du Nouvel An 2006, son mari a été fait chevalier bachelier, devenant Sir John Dankworth. Ils étaient l’un des rares couples où les deux partenaires détenaient leur titre en propre et le seul couple du jazz à être ainsi reconnu.
Dankworth est décédé le 6 février 2010, quelques heures avant un concert prévu au théâtre Stables de Wavendon pour célébrer le 40e anniversaire du lieu. Il était malade depuis plusieurs mois après une tournée de concerts aux États-Unis. Malgré son chagrin, Laine se produit au concert du 40e anniversaire, avec le John Dankworth Big Band et plusieurs membres de sa famille – n’annonçant sa mort qu’à la fin. La décision de Laine de se produire a figuré en première page des journaux du monde entier, y compris une photographie complète d’elle en première page du Times.
Une semaine après la mort de Dankworth, Laine a remplacé son défunt mari et s’est à nouveau produite en concert à Pinner, au nord-ouest de Londres. Laine continue à se produire et à donner des interviews dans les mois qui suivent la mort de Dankworth. Elle est apparue en tête d’affiche du festival Music in the Garden à Wavendon en juin et juillet 2010.
En mars 2010, la dernière collaboration musicale de Laine et Dankworth est sortie sur CD et en téléchargement – Jazz Matters. L’enregistrement présentait le Dankworth Big Band jouant de nouvelles compositions écrites par Dankworth pour le spectacle du couple aux Proms 2007 au Royal Albert Hall.
Laine est célèbre non seulement pour son style d’interprétation, mais aussi pour sa gamme de presque quatre octaves et son adaptabilité vocale. En plus de frapper des notes soul profondes, le scat et les notes de tête de Laine sont devenus sa signature. Bien que sa tessiture naturelle soit celle d’un contralto, elle est capable de produire un sol au-dessus du do aigu. Derek Jewel du Sunday Times l’a surnommée « tout simplement la meilleure chanteuse du monde »
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