Caroline Proust wurde 1967 in Le Vigan in Frankreich geboren. Obwohl sie als junges Mädchen Sängerin werden wollte, entdeckte sie mit sechzehn Jahren die Schauspielerei für sich, als sie begann, Amateurtheater zu spielen. Ihre dahingehnde Ausbildung erhielt sie am Conservatoire à rayonnement régional in Montpellier und in Paris.
Ab den frühen Neunzigern hat Proust weiter viel am Theater gearbeitet, wo sie unter anderem in Stücken von Tennessee Williams und Shakespeare mitspielte. Nebenbei trat sie auch in verschiedenen TV-Serien und Filmen auf, unter anderem im Heist-Movie Ca$h (2008). Bekanntheit erlangte sie in Frankreich vor allem durch die Krimiserie Spiral (im Original: "Engrenages", Französisch für "Getriebe"), in der sie Protagonistin Capitaine Laure Berthaud darstellt.