Kleopatra Karađorđević je rođena u Krajovu 26.novembra 1835.godine i bila ćerka, drugo dete, kneza Aleksandra Karađorđevića i kneginje Perside. U tadašnju Kneževinu Srbiju stiže sa svojih četiri godine, kao i sestra Poleksija koja je bila starija od nje dve godine.
Aleksandar Karađorđević je izabran za kneza Srbije 1842. godine, a posle dve godine je prešao u kuću Stojana Simića. Kada su sestre napunile 10 i 12 godina na preporuku Ilije Garašanina i Jovana Hadžića za privatnog učitelja je izabran Matija Ban, Dubrovčanin koji je iz Carigrada došao u Srbiju 1844. godine samo da bi držao časove princezama.
Češki kompozitor i pijanista Alojz Kalauz koji je u Srbiju došao 1843. godine i u Beogradu davao privatne časove klavira, komponovao je pesmu „Što se bore misli moje“ za Kleopatrin 15. rođendan na tekst pesme koju je napisao Mihailo Obrenović što se otkrilo 2003.godine. O simpatiji Mihaila Obrenenovića prema Kleopatri poznato je samo da je napisao pesmu za nju.
Sredinom pedesetih godina 19. veka ponovo je komponovao Kornelije Stanković i ta pesma je za vreme druge vlade kneza Mihaila redovno pevana na balovima u Beogradu.
Sestra Poleksija se udala 1849. za Konstantina Nikolajevića. Kleopatra je sa njima 1852. putovala u Carigrad, u pasošu je imenovana kao „princeza srbska“. Do udaje je živela u dvoru.
Udaje za Milana Petronijevića 9. februara 1855., sina Avrama Petronijevića koji je bio predsednik Vlade. Venčanje je bilo u Sabornoj crkvi, kum je bio Stefan Stefanović Tenka, stari svat austrijski konzul Teodor Radosavljević, a venčao ih je mitropolit beogradski Petar.
Umrla je, pretpostavlja se od tuberkuloze, 1/13. jula 1855. godine u banji Glajhenberg u Štajerskoj i sahranjena u porodičnoj grobnici u Topoli, kasnije u crkvi Svetog Đorđa na Oplencu.
U Nemenikućama postoji Kleopatrina česma.
