Diplomata al Centro Sperimentale di Cinematografia, Carolina Crescentini debutta come protagonista al cinema nel 2006 con il film Notte prima degli esami – Oggi di Fausto Brizzi e, nello stesso anno, diventa nota anche al pubblico televisivo grazie alla serie cult Boris, diretta da Luca Vendruscolo.

Nel 2007 è protagonista dei film I demoni di San Pietroburgo, per la regia di Giuliano Montaldo, Cemento Armato di Marco Martani, e Parlami d’amore di Silvio Muccino. Nel 2008 è al cinema con Due Partite, di Enzo Monteleone, Generazione Mille Euro per la regia di Massimo Venier e nel 2009 con Henry, di Alessandro Piva, Oggi Sposi di Luca Lucini, 20 sigarette per la regia di Aureliano Amadei ed è nel cast di Mine Vaganti di Ferzan Ozpetek. Il 2010 è un anno ricco di impegni per l’attrice che si divide tra cinema e televisione. Al cinema la vediamo in Ti amo troppo per dirtelo, di Marco Ponti, e in Boris – Il film di Vendruscolo, Ciarrapico e Torre. Per quest’ultimo, l’anno successivo, vince il Nastro d’Argento come Miglior attrice non protagonista (insieme a 20 sigarette) e il Ciak d’Oro. Per la televisione gira la terza stagione di Boris e Un Cane per Due di Giulio Base, mentre è diretta da Marco Pontecorvo in Ragazze in web. È del 2011 Breve Storia di lunghi tradimenti, film diretto da Davide Marengo, e L’Industriale, di Giuliano Montaldo. Nel 2012 è al cinema con Niente può fermarci di Luigi Cecinelli e Una Famiglia Perfetta, di Paolo Genovese, mentre l’anno successivo riceve il Premio Magna Grecia Awards Rodolfo Valentino e torna a lavorare con Ferzan Ozpetek per il film Allacciate le cinture. Il 2014 la vede impegnata in diversi progetti televisivi – Max & Helene di Giacomo Battiato, Due di noi di Ivan Cotroneo – e cinematografici – Fratelli unici di Alessio Maria Federici, Maraviglioso Boccaccio dei Fratelli Taviani, Tempo Instabile con probabili schiarite di Marco Pontecorvo, Accabadora di Enrico Pau. Nel 2015 partecipa al docufilm di Alberto Caviglia Pecore in erba e interpreta se stessa sul set internazionale di Zoolander 2 per la regia di Ben Stiller, per poi continuare accanto a Laura Morante in Assolo. Nel 2016 torna sul piccolo schermo con la serie di successo I Bastardi di Pizzofalcone, diretta da Carlo Carlei. Chiude l’anno sul grande schermo diretta da Max Croci in La verità vi spiego sull’amore e da Massimiliano Bruno in Beata Ignoranza. Nel 2017 è nel cast del film internazionale Il sogno del califfo per la regia di Souheil Benbarka.

Tra i vari progetti di Carolina ricordiamo anche il doppiaggio del film d’animazione Astro Boy e la rubrica su Rolling Stone intitolata Quando fuori piove.

Nel 2018 è tra i protagonisti di A casa tutti bene di Gabriele Muccino, che l’anno successivo vince il David dello spettatore, premio speciale dei David di Donatello. Sempre nel 2018 è nel cast di Sconnessi, commedia diretta da Christian Marazziti e nel docu-film Illuminate – Krizia di Gianfranco Giagni.

Partecipa alla 75° Mostra Internazionale del Cinema di Venezia in veste di giurata per il Premio Venezia Opera Prima Luigi De Laurentiis.

Nel 2019 è nel film tv Non ho niente da perdere di Fabrizio Costa e nel 2020 è protagonista del film horror Letto N. 6 opera prima di Milena Cocozza, presentato al Torino Film Festival.

Lo stesso anno inizia la sua avventura nella serie dal successo inarrestabile Mare fuori, per la regia di Carmine Elia, Milena Cocozza, Ivan Silvestrini.

Nel 2021 è nel film per la tv La Bambina che non voleva cantare e al cinema diretta da Paolo Costella in Per tutta la vita. Nel 2022 I bastardi di Pizzofalcone vince il Nastro d’Argento come miglior serie crime ed è protagonista femminile del sequel di Massimiliano Bruno C’era una volta il crimine. Lo stesso anno torna a vestire i panni di Corinna in Boris – Stagione 4, in esclusiva su Disney+, e fa parte del cast di Tutto Chiede Salvezza, serie tv diretta da Francesco Bruni. Nel 2023 recita al film di Lillo Petrolo nel film Grosso guaio all’Esquilino: la leggenda del Kung Fu.