Caroline Cellier est depuis toujours passionnée par la scène et le cinéma. Elle entre aux cours d'art dramatique René Simon en 1963 et fait ses premiers pas sur les planches la même année dans On ne peut jamais dire. En 1964, l'actrice fait ses débuts à la télévision en jouant dans des téléfilms comme La Mégère apprivoisée et Une fille dans la montagne, avec Jacques Higelin, mais n'oublie par pour autant son premier amour, le théâtre. En 1964, elle joue dans Croque-Monsieur et Du vent dans les branches de sassafras, pièces pour lesquelles elle obtient les prix Gérard-Philipe et Suzanne Bianchetti.

Un an plus tard, le cinéma lui ouvre les bras. Dans La Tête du client, de Jacques Poitrenaud, Caroline Cellier donne la réplique à de grands noms du cinéma français : Michel Serrault, Francis Blanche et Jean Poiret. Une rencontre avec Jean Poiret qui marquera sa vie (voir « Vie privée »).

En 1968, Caroline Cellier joue dans La Vie, l'Amour, la Mort, de Claude Lelouch, avant de donner la réplique, un an plus tard, à Michel Duchaussoy et Jean Yanne dans Que la bête meure, de Claude Chabrol. Dès lors, l'actrice est présente sur tous les fronts puisqu'elle alterne théâtre, téléfilms et cinéma. La comédienne tourne pour les plus grands réalisateurs : Claude Lelouch, Claude Chabrol, Édouard Molinaro ou encore Françoise Sagan.

Mais la consécration arrive réellement dans les années 1980. En 1982, elle tient le rôle de l'épouse de Patrick Dewaere dans Mille milliards de dollars, d'Henri Verneuil, et enchaîne les succès avec Surprise Party, de Roger Vadim, P'tit Con, de Gérard Lauzier, et L'Année des méduses, de Christopher Frank, un rôle pour lequel elle obtient le césar du meilleur second rôle féminin en 1985. La même année, la comédienne retrouve Claude Chabrol dans Poulet au vinaigre.

Dès 1986, Caroline Cellier joue des rôles moins conventionnels, puisqu'elle est accro au jeu dans Poker, de Catherine Corsini, aux côtés de Pierre Arditi, prostituée dans La Contre-allée, d'Isabel Sebastian, ou encore escroc dans Vent de panique, de Bernard Stora, avec Bernard Giraudeau. En 1992, elle tourne sous la direction de son mari, Jean Poiret, dans l'adaptation du livre d'Alexandre Jardin, Le Zèbre, puis incarne Margareth Hunter dans Farinelli, de Gérard Corbiau, en 1994 avant de retrouver deux ans plus tard Claude Lelouch pour Hommes, femmes, mode d'emploi.

Elle participe au Concert des Enfoirés 1997.

À partir de 1997, elle tourne dans des comédies, notamment Didier, de et avec Alain Chabat, Le Plaisir et ses petits tracas, de Nicolas Boukhrief, aux côtés de Vincent Cassel, ou encore Jean-Philippe, de Laurent Tuel. En 2007, elle est à l'affiche du film choral Fragile(s), de Martin Valente, où elle donne la réplique à Jean-Pierre Darroussin, Jacques Gamblin, François Berléand et Marie Gillain.