Отец, Юджи Чжао, служил топ-менеджером одной из крупнейших сталелитейных компаний Китая Shougang Group, а затем занялся девелопментом, мать работала в больнице. Когда Чжао училась в старших классах, родители развелись, второй женой её отца стала Сун Даньдань, популярная комедийная актриса.
В 15 лет Чжао отправили в частную школу-интернат в Лондон, затем перевели в школу в Лос-Анджелесе. Получила степень бакалавра политических наук в престижном колледже Маунт-Холиок. Изучала кинопроизводство в Школе искусств Тиша Нью-Йоркского университета.
Дебютным полнометражным фильмом Хлои Чжао стала картина «Песни, которым меня научили братья» (2015), премьера которой состоялась на кинофестивале «Сандэнс». Второй фильм, «Наездник» (2017), был высоко оценён критиками и получил множество наград и номинаций. В сентябре 2020 года на 77-м Венецианском кинофестивале состоялась премьера её третьего фильма «Земля кочевников», получившего «Золотого льва». Следующая режиссёрская работа Чжао — фильм «Вечные» вышел в ноябре 2021 года.
