C’est dans Marilyn, téléroman quotidien de Lise Payette, que la toute jeune Caroline a fait ses débuts à la télévision à 12 ans. Elle a ensuite accumulé les premiers rôles dans plusieurs séries à succès, dont Zap, Jasmine, Urgence, Lobby, Le Pollock, Réseaux et Les beaux malaises. Mais c’est dans Tag, où elle campait le rôle inoubliable de Stéphanie, que le public québécois a constaté qu'elle était une actrice de grand talent.
Caroline Dhavernas est également très présente au grand écran au Québec, aux États-Unis et en Europe. Nous avons pu la voir dans L’île de sable, The Baroness and the Pig, Out Cold, Nez rouge, De père en flic et The Tulse Luper Suitcases, pour ne nommer que ceux-là. En 2004, elle a tourné dans les longs-métrages canadiens These Girls et Niagara Motel.
Elle a aussi travaillé aux côtés de Thierry Lhermitte dans la coproduction belge Comme tout le monde du réalisateur Pierre-Paul Renders. Du côté américain, on l’a vue en compagnie d‘Adrian Brody dans Hollywoodland et avec Chris Cooper et Ryan Phillippe dans Breach.
Toujours au cinéma, elle était de la distribution de La belle bête, une production québécoise tirée d’un roman de Marie-Claire Blais, pour enchaîner avec Passchendaele de Paul Gross, The Switch avec Jennifer Aniston, puis Mars et Avril de Martin Villeneuve. En 2013, elle a fait partie du projet The Forbidden Room, réalisé par Guy Maddin, présenté au festival Sundance et au Festival du nouveau cinéma en 2015.
Durant plusieurs saisons, Caroline a campé le personnage du docteur Alana Bloom dans la très populaire télésérie américaine Hannibal. Ce rôle lui a valu une notoriété et une reconnaissance remarquables aux États-Unis, mais aussi dans le monde. La série a ensuite été diffusée en français sur la chaîne AddikTV.
Caroline n’en était pas à sa première série américaine, car elle a tourné dans Wonderfalls, diffusée à Fox, dans la série Off The Map d’ABC et effectué quelques apparitions dans Law & Order, Law & Order Criminal Intent et The Pacific, produite par Steven Spielberg et Tom Hanks. En 2017, Caroline tient le rôle principal de la série Mary Kills People.
Maintenant de retour sur les écrans du Québec, Caroline a tourné sur le film Chasse-galerie
de Jean-Philippe Duval, la série Blue Moon et le long-métrage De père en flic 2. On la retrouve en 2020 dans Les beaux malaises 2.0 puis dans les séries Aller simple et Les cavaliers.
En 2025, elle tiendra la vedette de Ravages, série policière réalisée par Sophie Deraspe.