Neben ihren Engagements als Schauspielerin ist der Game of Thrones-Star auch Botschafterin für den Naturschutzverband WWF und landete 2010 mit der Band Kane einen Nummer-Eins-Hit in den niederländischen Charts.
Sie erhielt ihre Schauspielausbildung an der Maastricht Academy of Dramatic Arts und der Kleinkunstacademie in Amsterdam und beginnt 1997 ihre Karriere im Showbusiness. Im niederländischen Fernsehfilm Suzy Q übernimmt sie 1999 ihre erste Hauptrolle. Für ihre Darstellung im Film Undercover Kitty (2001) erhält sie mehrere Auszeichnungen. Auch für ihre Leistung als Rachel Stein im Weltkriegsdrama Black Book (2006) kann Carice van Houten viel Kritikerlob einstecken.
Im deutsch-amerikanischen Historienthriller „Valkyrie“ ist sie 2008 neben Tom Cruise und Kenneth Branagh als Nina Schenk Gräfin von Stauffenberg zu sehen.
Für die Filme Stricken (2009), The Happy Housewife (2010), Black Butterflies (2011) und Jackie (2012) kann sie mehrere renommierte Filmpreise und Nominierungen entgegennehmen.
2012 wird die Niederländerin in der erfolgreichen HBO-Fantasyserie Game of Thrones als Melisandre verpflichtet.
Carice van Houtens jüngere Schwester Jelka van Houten ist ebenfalls Schauspielerin.
Von 2005 bis 2010 war die Darstellerin mit ihrem deutschen Kollegen Sebastian Koch liiert.