Nació en León un 24 de mayo de 1986. Empezó su andadura en la gimnasia en el Club Rítmo a los 8 años de edad. Comenzó a competir en benjamín, cuando subió a categoría alevín quedó Campeona de España en alevín e infantil. En categoría junior, fue subcampeona de España, formó parte de la selección nacional junior participando en el Campeonato de Europa en Bucarest quedando el conjunto en 5ª posición.

En julio de 2001 entró en la selección nacional de gimnasia rítmica de España sénior, primero como individual, en 2003 en el conjunto, y finalmente volviendo a la modalidad individual en 2005.

A finales de 2003 pasó a integrar el conjunto español, entrenado por Rosa Menor y Noelia Fernández, con el que participó en sus primeras Olimpiadas, los Juegos Olímpicos de Atenas 2004. Carolina fue titular en el ejercicio de 3 aros y 2 pelotas. El conjunto español obtuvo el pase a la final tras lograr la 8.ª plaza en la calificación. Finalmente, el 28 de agosto consiguió la 7.ª posición en la final, por lo que obtuvo el diploma olímpico. El conjunto estaría formado además por Sonia Abejón, Bárbara González Oteiza, Marta Linares, Isabel Pagán y Nuria Velasco.  Tras disputar la cita olímpica, Carolina volvió a la modalidad individual en la selección.

En 2005, de nuevo como individual, participó en el Campeonato Mundial de Bakú, ocupando la posición 123ª en la general, pero realizando únicamente el ejercicio de cinta y no los cuatro. En 2006 se proclamó campeona de España en categoría de honor y participó en el Campeonato Europeo de Moscú quedando en el puesto 17.º del concurso individual.  A finales de 2007, tras disputar el Campeonato Mundial de Patras fue apartada del equipo nacional por decisión técnica, anunciando su retirada. Sin embargo, en marzo de 2008 volvió a la competición consiguiendo el título nacional en primera categoría en el Campeonato de España Individual y, en diciembre, el subcampeonato en primera categoría en la modalidad de conjuntos con el Club Ritmo.

En 2009 volvió a ser convocada por la selección nacional en la modalidad individual, aunque decidió quedarse en León con su entrenadora Ruth Fernández en vez de volver al CAR de Madrid. En mayo fue bronce en pelota en el torneo de Corbeil-Essonnes, que ese año era una prueba de la Copa del Mundo. Ese año consiguió ser campeona de España en categoría de honor. En el Campeonato de Europa de Bakú quedó 17.ª clasificada individualmente. En los XVI Juegos Mediterráneos 2009 en Pescara logró la medalla de bronce. En agosto se lesionó en el tobillo izquierdo, pero pudo competir en el Campeonato del Mundo de Mie logrando la 22ª posición.En diciembre de 2009 también se proclamó campeona de España en primera categoría en la modalidad de conjuntos con el Club Ritmo.

En marzo de 2010 se volvió a lesionar. Esta vez fue una rotura parcial de ligamentos en el tobillo derecho. A pesar de ello, en abril disputó el Campeonato de Europa de Bremen, logrando la 16.ª posición en la clasificación general. En junio del mismo año volvió a proclamarse campeona de España en categoría de honor.​ En julio sufrió una lesión en la rodilla izquierda.​ En septiembre obtuvo la 17.ª posición en la clasificación general en el Campeonato del Mundo de Moscú.

En abril de 2011 consiguió la medalla de oro en la competición de mazas en el Torneo Irina Deleanu, además de conquistar la medalla de plata en la clasificación general y lograr otros tres segundos puestos. En junio del mismo año, por cuarta vez y tercer año consecutivo, volvió a proclamarse campeona de España en categoría de honor. En el Campeonato Mundial de Gimnasia Rítmica de 2011, celebrado en la ciudad francesa de Montpellier el 24º en la clasificación general, por lo que no logró la clasificación directa para los Juegos Olímpicos de Londres 2012, aunque sí consiguió plaza para el Preolímpico.

En el Preolímpico de Londres, que se disputó en enero de 2012, Carolina finalizó en 4.º lugar, consiguiendo así la clasificación para la Olimpiada al terminar dentro de las cinco primeras plazas que daban el pase nominal. En julio de 2012, por cuarto año consecutivo y por quinta vez en su carrera, se proclamó campeona de España en categoría de honor. En los Juegos Olímpicos de Londres 2012 se convirtió en la única gimnasta rítmica que ha competido en dos Olimpiadas como miembro del conjunto y como individual. Acabó finalmente en la 14.ª posición. El 20 de septiembre fue operada del tobillo derecho en Madrid. Tras estar 4 meses con escayola, volvió a entrenar en febrero de 2013.

En junio de 2013 se proclamó, por quinto año consecutivo y sexta vez, campeona de España en categoría de honor. En los XVII Juegos Mediterráneos 2013 en Mersin logró la medalla de oro, tras un campeonato en el que superó los 17,400 puntos en los cuatro aparatos. En agosto de 2013, en el Campeonato del Mundo de Kiev, quedó en el puesto 11.º del campeonato general individual. Además, se metió por primera vez en su carrera en una final por aparatos de un Mundial, la de cinta, en la que obtuvo la 7.ª posición.
En abril de 2014, en la prueba de la Copa del Mundo de Lisboa, logró la 4.ª plaza en la general, mientras que en las finales por aparatos consiguió el 7.º puesto en cinta, el 4.º en pelota y la medalla de bronce en mazas. Posteriormente, en la Copa del Mundo disputada en Minsk, obtuvo la 14.ª posición en la general y la 7.ª en la final de pelota.​ En junio disputó el Campeonato de Europa de Bakú, donde logró la 10.ª posición en la general.  El 29 de junio en Granada se proclamó por sexto año consecutivo y séptima vez campeona de España en categoría de honor.​ En agosto disputó la Copa del Mundo de Sofía, donde logró el 11.º puesto en la general, además de la 6.ª posición en la final de pelota y la 7.ª en la final de mazas.​ En septiembre, en el Campeonato del Mundo de Esmirna, logró el 10.º puesto en el campeonato general individual. Además, logró clasificarse para la final de cinta, en la que consiguió la 7.ª plaza.

En abril de 2015 en la Copa de la Reina de gimnasia rítmica, logró tres oros: por equipos con Castilla y León, en mazas y en cinta.​ En mayo participó en el Grand Prix de Jolón, donde fue 13.ª en la general. En junio consiguió la 15.ª plaza en el Masters de Berlín.​ Ese mismo mes acabó 13.ª en los Juegos Europeos de Bakú 2015.​ El 4 de julio en Pontevedra se proclamó por séptimo año consecutivo y octava vez en su carrera campeona de España en categoría de honor. Además, Carolina alcanzaba así un total de 11 títulos nacionales en el campeonato general sumando todas las categorías.​ Ese mismo mes logró las 5 medallas de oro en juego en el Torneo Internacional de Esmirna (Turquía). En agosto volvió a conseguir 5 oros en la Asker Cup de Noruega.​ En septiembre de 2015, en el Campeonato del Mundo de Stuttgart, consiguió el 9.º puesto en el campeonato general individual, su mejor posición en la general de un Campeonato Mundial, logrando así la clasificación directa para disputar los Juegos Olímpicos de Río de Janeiro 2016​.
En junio de 2016 se disputó la Copa del Mundo de Guadalajara. Carolina obtuvo en Guadalajara el 8.º puesto en la general y el 8.º puesto en la final de mazas.​ Ese mismo mes participó en el Campeonato de Europa de Jolón, donde obtuvo el 9.º puesto en el campeonato general. El 25 de junio se proclamó por octavo año consecutivo y novena vez en su carrera campeona de España en categoría de honor en el Campeonato de España Individual de Guadalajara.

En agosto compitió en los Juegos Olímpicos de Río 2016, su tercera participación olímpica.Donde quedó en octava posición en la clasificación general obteniendo el Diploma Olímpico.

Tras los Juegos, a finales de 2016 Carolina compitió en la Liga Nacional de Clubes de Italia, conocida como Serie A, integrando las filas del club Gymnica 96 di Forli. Carolina ya participó en la Serie A con un club de Roma a comienzos de su carrera, con el Ginnastica Terranuova en 2014, y con el Etruria Prato en 2015. En 2017 compitió con el Club Ritmo en la primera edición del Circuito Iberdrola, una liga de clubes realizada en varias fases por toda España a lo largo de año, donde el club resultó ganador en la Final disputada en noviembre en Alicante.