Fou filla d'Hubert Cellier i de Jacqueline Serrou. Des de petita Caroline fou molt aficionada al teatre i al cinema.[1] L'any 1963 va començar els seus estudis d'art dramàtic amb l'actor i professor René Simon. Caroline va fer els seus primers escènics el mateix any en l'obra On ne peut jamais dire.
L'any 1964 va debutar a la televisió però sense deixar de banda el teatre. Així, aquell any a interpretar en escena obres com ara Croque-Monsieur i Du vent dans les branches de sassafras per les quals obtingué els premis Gérard-Philipe i Suzanne Bianchetti.
Un any més tard va debutar al cinema en la pel·lícula La Tête du client, de Jacques Poitrenaud, on dona la rèplica a Francis Blanche, Michel Serrault i Jean Poiret. La trobada amb aquest últim va a marcar la seva vida. Amb ell tindria un fill, Nicolas, nascut el 19 de novembre de 1978, que esdevindria actor i director d'escena. Caroline i Jean Poiret es van casar el 14 de març de 1992.
1964 : Une fille dans la montagne, de Roger Leenhardt
1964 : La Mégère apprivoisée de Pierre Badel
1965 : Marie Curie - Une certaine jeune fille de Pierre Badel
1966 : Rouletabille chez les Bohémiens, de Robert Mazoyer
1966 : Au théâtre ce soir : L'Amour toujours l'amour de Jacques Vilfrid et Jean Girault, escenografia de Pierre Mondy, realització de Pierre Sabbagh, Théâtre Marigny
1967 : Au théâtre ce soir : José de Michel Duran, escenografia de Christian-Gérard, realització de Pierre Sabbagh, Théâtre Marigny
1967 : La guerre de Troie n'aura pas lieu de Marcel Cravenne
1972 : La Mort d'un champion d'Abder Isker
1973 : Molière pour rire et pour pleurer de Marcel Camus
1974 : Histoires insolites : Nul n'est parfait de Claude Chabrol
1997 : La Disgrâce de Dominique Baron
1998 : Les Grands Enfants, téléfilm de Denys Granier-Deferre