Filha de Maira e Roberto Dieckmann e irmã de Bernardo e dos gêmeos Edgar e Frederico.
Destacou-se primeiramente como modelo e, depois, passou a se dedicar à carreira de atriz, tendo feito grande sucesso como a personagem Camila, da novela Laços de Família.
Aos treze anos jogava bola numa praia em Búzios com os irmãos, quando foi convidada por Antônio Velasquez, da Agência Class, para tornar-se modelo. Participou de algumas campanhas publicitárias até passar no teste para atuar na minissérie Sex Appeal(1993), em que fez sua primeira personagem na TV, Claudinha.
Carolina atuou ainda em Tropicaliente (1994), como Açucena; em Malhação, como Julie; em Vira Lata (1996), como Renata, e em Por Amor (1997), como Catarina.
Aos 19 anos, casou-se com o ator Marcos Frota, pai de três filhos, além de viúvo. A cerimônia foi realizada no picadeiro de um circo. Carolina e Marcos tiveram um filho, Davi, nascido em 1999. Separaram-se em 2003, após as gravações de Mulheres Apaixonadas. Carolina casou-se novamente, desta vez com Tiago Worcman, em 6 de maio de 2007.
Em 2000, Carolina teve muito destaque em Laços de Família, de Manoel Carlos, em que interpretou Camila, personagem envolvida em grandes conflitos e que descobre ter leucemia. Durante a novela, Carolina participou de uma campanha institucional incentivando a doação de medula. Para a campanha, foi usada a cena de grande emoção em que Camila, por estar com queda de cabelo devido ao tratamento de quimioterapia, raspa a cabeça.
Na sexta-feira santa de 2001, Carolina interpretou Maria, na encenação da Via Sacra, em Cabo Frio, contracenando com Eduardo Moscovis, que fez o papel de Jesus. Nesse mesmo ano, atuou no episódio As Proezas do Finado Zacarias, do programa Brava Gente.
Em 2003 interpretou Edviges em Mulheres Apaixonadas, abordando o tabu da virgindade até depois da adolescência. Em 2004, ganhou novamente grande destaque na teledramaturgia, protagonizando Senhora do Destino, como Isabel Tedesco/Lindalva.
Fez a novela Cobras e Lagartos, de João Emanuel Carneiro, em 2006 em que interpretou sua primeira vilã, Leona. Em 2007, no Rio de Janeiro, a atriz posou nua para a Exposição Síntese, do fotógrafo Fernando Torquato.
Está no ar atualmente como uma das protagonistas da novela Três Irmãs, de Antônio Calmon. Ela é a doce Suzana.
