Carolina Dieckmann iniciou sua carreira em frente às câmeras muito cedo. Aos 12 anos, ela já trabalhava como modelo fotográfica para peças publicitárias. Chegou a fazer figuração no grupo de balé do filme A Princesa Xuxa e os Trapalhões (1989) antes de integrar o elenco de Sex Appeal (1993), minissérie de Antonio Calmon e dirigida por Ricardo Waddington, que marcou a estreia da atriz na televisão, aos 14 anos. Carolina logo consolidou sua carreira de atriz e se tornou um dos rostos mais conhecidos pelo público brasileiro.

Intercalando entre os papéis de vilãs e mocinhas, Dieckmann protagonizou uma das cenas mais marcantes da telenovela brasileira, a da jovem Camila, de Laços de Família (2000). Diagnosticada com leucemia, a personagem teve sua cabeça raspada ao som da canção-tema Love by Grace e o impacto da cena ultrapassou a transmissão pela televisão. O papel vivido por Carolina incentivou a doação de sangue, órgãos e medula óssea no Brasil e levou a Globo, produtora da novela, a ganhar o BITC Awards for Excellence 2001, na categoria Global Leadership Award.

Carolina Dieckmann possui uma extensa lista de trabalhos na televisão, entre eles Malhação (1996), Mulheres Apaixonadas (2003), Senhora do Destino (2004), Passione (2010) e Salve Jorge (2012), sendo esta última licenciada para o mercado internacional. Sua primeira vilã foi Leona, em Cobras & Lagartos (2006), de João Emanuel Carneiro. Sua carreira, no entanto, vai além das telenovelas. No cinema, ela já estrelou em Entre Nós (2013), um drama de Paulo Morelli e Pedro Morelli. Um dos últimos trabalhos da atriz é O Silêncio do Céu (2016), filme em espanhol de Marco Dutra.