Née d’un père chinois, Chloe Wang choisit le patronyme de sa mère américaine, Bennet, pour sa carrière d’artiste. Alors qu’elle grandit à Chicago avec ses six frères, la jeune femme âgée de 15 ans est repérée par un producteur de musique, qui lui prédit un avenir sur le territoire asiatique. Enthousiaste, la jeune fille déménage à Beijing chez sa grand-mère paternelle, où elle apprend le Mandarin. Elle sort un premier single intitulé "Uh Oh", chanté dans ses deux langues d’origine, avant son deuxième titre "Every Day In Between", exclusivement en anglais. Après un bref succès au pays du Soleil Levant, l'adolescente rentre aux Etats-Unis, direction Los Angeles, où commence sa vie d’actrice.

Ses premiers pas à la télévision, elle les fait dans l’émission The Nightlife, diffusée sur TeenNick, qu’elle co-anime aux côtés de Nick Cannon et Aaron Fresh. Elle participe ensuite à sept épisodes de la première saison du show musical d’ABC, Nashville, en 2012, où elle y côtoie notamment Connie Britton et Hayden Panettiere. Sa collaboration avec le network ne s’arrête pas là, puisque Chloe Bennet est désignée pour jouer l’un des personnages principaux de la série évènement de la rentrée 2013, Marvel’s Agents Of S.H.I.E.L.D. Elle y incarne Skye, une hackeuse recrutée par l’organisation gouvernementale secrète qui s’occupe de toutes les affaires ayant trait aux phénomènes paranormaux.