Caroline Loeb voit le jour le 5 octobre 1955 à Neuilly-sur-Seine. Sa mère, Cécile Odartchenko, est écrivaine et éditrice. Son père, Albert Loeb, est galeriste. L’ensemble de la famille baigne dans le milieu artistique, ses grands-pères étant respectivement peintre et poète. Dans ces conditions, il n’est guère surprenant que, après avoir passé une partie de son enfance à New-York, Caroline prenne des cours de théâtre à Paris. Dirigés par Francis Huster, elle y fait la connaissance de Jean-Pierre Darroussin et Sabine Haudepin. Peu après, elle débute sur les planches au théâtre Le Palace dans une pièce de et avec Farid Chopel intitulée Santa Claus is back in town. À partir de 1973, elle obtient ses premiers rôles dans des films de James Ivory, Jacques Demy ou encore Adolfo Arrieta (Flammes en 1978). 

 

          Dans les années 1980, Caroline Loeb se tourne vers la chanson et sort son premier album, intitulé Piranana, en 1983, dont elle écrit les textes. Elle travaille également comme styliste. En 1986, la chanson C’est la ouate la révèle pleinementet truste le Top 50 cette année-là. Ce succès fait partie des incontournable des années 1980.

 

          A partir de 1993, Caroline Loeb se consacre à des activités variées et officie tour à tour en tant qu’animatrice TV et réalisatrice de spectacles musicaux où elle dirige, par exemple, Lio, Viktor Lazlo ou les Weepers Circus. En 2006, elle publie son premier roman, Has been, et retrouve les planches en 2007 dans la pièce Les Monologues duvagin, qu’elle met également en scène. Dans la foulée, elle sort un nouvel album, intitulé Crime parfait.

Après avoir intégré la troupe de Stars 80 en 2012, elle met en scène Julien Fanthou et Gérald Elliott dans la pièce Goujon Folichon, présentée depuis juillet 2015 au théâtre du Marais à Paris.