Elle a connu une première célébrité en 2007 grâce à son rôle de Lila dans la série télévisée *Plus belle la vie*. Cette même année, elle a été nommée pour le prix d'interprétation féminine au Festival international du film de Comic-Strip de Angoulême.
En 2010, Chloé de Los Santos a joué dans *Les Hommes libres*, une série télévisée qui a été un succès critique et commercial. Elle a reçu de bonnes critiques pour son interprétation du personnage principal, Léa Fischer.
En 2013, elle a interprété le rôle de Laetitia dans la comédie romantique *Ma vie en l'air*, dirigée par Rémi Bezançon et Stéphane Kazandjian. Le film a été un grand succès à la boîte de cinéma, et Chloé de Los Santos a été nommée pour le César de la meilleure actrice.
En 2015, elle a joué dans le thriller *Les Anarchistes*, dirigé par Pascal Chaumeil. Le film a reçu des critiques mitigées, mais Chloé de Los Santos a été saluée pour sa performance.
En 2017, elle a interprété le rôle de Célia dans la comédie romantique *Qu'est-ce qu'on a fait au Bon Dieu ?*, dirigée par Philippe de Chauveron. Le film a été un grand succès à la boîte de cinéma et Chloé de Los Santos a reçu de bonnes critiques pour son interprétation du personnage principal.
En 2019, elle a joué dans le drame *La Lutte des classes*, dirigé par Pierre Salvadori. Le film a été un grand succès à la boîte de cinéma et Chloé de Los Santos a reçu de bonnes critiques pour son interprétation du personnage principal, Mélanie.
Chloé de Los Santos est actuellement en tournée avec sa pièce de théâtre, *Le Bal des voleurs*. Elle est considérée comme une des plus grandes actrices françaises de sa génération.