Flickan tältade med sin familj på en populär campingplats norr om Carnarvon i delstaten Western Australia när hon försvann den 16 oktober.
Mamman upptäckte att dottern var borta från tältet när hon vaknade vid 06-tiden.
Att flickans sovsäck också var borta, liksom att tältets dragkedja var för svår att få upp för ett litet barn, gjorde att polisen fattade misstanke om att hon förts bort, enligt The Sydney Morning Herald.
Ett stort sökpådrag inleddes, där polisen bildade en utredningsgrupp på 100 personer, och delstatsregeringen bland annat utlovade 1 miljon australiska dollar (6,4 miljoner kronor) för information om var flickan befann sig.
Bad om hjälp
Flickans mamma och styvpappa bad allmänheten om hjälp i tv.
– Hur kan någon komma in i tältet och ta Cleo. Hur kan någon ta ett barn, sa mamman till 7 News då dottern varit saknad i tio dagar.
Hon tvingades också neka till att de själva skulle ligga bakom försvinnandet.
– Aldrig i livet. Vi älskar vår dotter och vi vill att hon ska komma hem. Om man har barn så förstår man hur det är att vara förälder och att jag eller Jake aldrig skulle ha gjort något för att skada vår dotter.
Under natten mot onsdagen bröt sig polisen in i vad som beskrivs som en låst hus i Carnarvon, där flickan befann sig ensam.
– De hittade lilla Cleo i ett av rummen. En av poliserna plockade upp henne i sina armar och frågade: ”Vad heter du?”. Hon svarade: ”Jag heter Cleo”, säger Col Blanch vid polisen i Western Australia vid en presskonferens.
”Inget öga torrt”
Blanch beskriver insatsen som att leta efter en nål i en höstack.
– Jag har sett garvade kriminalare gråta öppet av lättnad, säger han i radioprogrammet 6PR Breakfast och fortsätter:
– Jag saknar ord, vilket är väldigt sällsynt. Det här är något som vi alla hoppades på i våra hjärtan och det har nu hänt.
Flickan uppges må bra, men polisen vill inte säga mer om omständigheterna kring hennes försvinnande, mer än att en person är frihetsberövad och förhörs. En ledtråd upptäcktes under natten, vilket ledde till huset.
”Vår familj är hel igen”, skriver mamman i ett Instagraminlägg.