Хореограф, танцовщица, педагог. Родилась в Калифорнии в финской семье. Начинала карьеру в Нью-Йорке, в труппе Элвина Николаи. В 1968 году на Международном фестивале танца в Париже завоевала премию в номинации «лучшая танцовщица». С тех пор ее жизнь неразрывно связана с Францией. Здесь она в 1972 году создала свою первую хореографию, представленную на Авиньонском фестивале, после чего получила приглашение в Парижскую оперу – сначала в качестве хореографа, затем как руководитель возникшей при театре экспериментальной группы. Результатом ее шестилетней работы в Парижской опере стали 25 танц-пьес. Не менее плодотворным было последующее сотрудничество с парижским «Театр де ля Виль», сцена которого в то время стала важнейшим международным «перекрестком» новых танцевальных направлений. Каролин Карлсон в разные периоды ставила спектакли в «Ля Фениче» и в «Кулльберг Балет».
В 1994 году Каролин Карлсон основывает «Ателье де Пари» – труппу и одновременно педагогический центр, где преподает сама и куда приглашает на мастер-классы лучших хореографов мира. С декабря 2004 года она возглавляет Национальный хореографический центр Рубэ Нор – Па-де-Кале.
В общей сложности ею создано более 70 хореографий, включая несколько исполняемых ею самой соло, в том числе уже легендарная Blue Lady, которую она танцевала в 40 странах. Многие ее работы получили всемирную известность и воспроизводятся постановщиками в разных странах.
Каролин Карлсон рыцарь Ордена Почетного Легиона и Ордена искусств и литературы. За балет «Знаки», поставленный в Парижской опере в 1998 году, ей присуждена Премия «Бенуа де ля данс».