Elle a grandi à Paris, où elle a découvert très tôt sa passion pour la comédie en jouant des petits rôles à l'école primaire. Après son baccalauréat, Caroline Breton a décidé de poursuivre une carrière dans le cinéma et s'est inscrite à un stage d'interprétation au Conservatoire national supérieur d'art dramatique.
Après quelques petits rôles dans des courts-métrages indépendants, Caroline Breton a obtenu son premier grand rôle au cinéma en 2010 dans le film "La Grande Aventure de Michel Lotor". Ce film fut un succès critique et commercial et a contribué à la reconnaissance de l'actrice.
Depuis cette première expérience, Caroline Breton a continué à travailler dans le cinéma, participant à des projets plus ambitieux, tels que "Le Complot" en 2012 et "La Bataille de Solférino" en 2013. Elle a également joué dans plusieurs séries télévisées, telles que "Les Hommes de l'ombre" en 2014 et "Riviera" en 2017.
En 2018, Caroline Breton a été nommée pour le César de la meilleure actrice dans un second rôle pour son interprétation dans le film "Le Tout Nouveau Testament". Elle a également remporté le Prix Lumières de la meilleure actrice dans un second rôle pour ce même rôle.
En dehors de sa carrière d'actrice, Caroline Breton est très impliquée dans des causes humanitaires et milite notamment pour les droits des femmes et l'égalité entre les sexes. Elle est également une ambassadrice officielle de l'UNICEF en France.
Caroline Breton est considérée comme une des actrices les plus prometteuses de la scène française, reconnaissante pour ses succès, elle continue à se consacrer au cinéma et à défendre ses valeurs à travers son activisme.