Elle est originaire du Vigan dans le département du Gard. Son père est brocanteur et sa mère professeur de français. Jeune elle voulait devenir chanteuse pour faire comme son idole Sylvie Vartan. À seize ans, elle suit ses premiers cours à l'atelier de théâtre amateur
Elle tient un des rôles principaux de la série judiciaire Engrenages, diffusée sur Canal+, dans laquelle elle joue le rôle d'une capitaine de police aux méthodes musclées. Caroline Proust a également campé le rôle de Léa dans le film Ca$h d'Eric Besnard.