Enfant solitaire, Carole Bouquet est élevée par un père centralien avant d'être envoyée, adolescente, chez les Dominicaines, avec sa soeur aînée. Lycéenne, elle préfère aller au musée, et surtout au cinéma, où elle découvre Buñuel et Fassbinder, qu'assister aux cours. Après le bac, elle s'inscrit en philo à la Sorbonne, mais intègre rapidement le Conservatoire Supérieur d'Art Dramatique de Paris. C'est là qu'elle est remarquée par Buñuel, qui la fait tourner dans Cet obscur objet du desir, variation sensuelle autour de La Femme et le pantin, dans lequel elle partage le rôle féminin principal avec Angela Molina. La comédienne à la beauté glacée restera longtemps identifiée à cette première apparition à l'écran.

James Bond girl dans Rien que pour vos yeux aux côtés de Roger Moore en 1981, Carole Bouquet incarne la Mort en personne dans Buffet froid de Bertrand Blier. La jeune actrice exerce ainsi un fort pouvoir de fascination, qu'elle met au service des oeuvres les plus singulières, comme Le Jour des idiots de l'Allemand Schroeter, Double messieurs, deuxième opus du comédien Jean-François Stévenin ou encore le futuriste Bunker Palace Hotel de Bilal. En 1985, elle est nommée au César du Meilleur second rôle pour Rive droite, rive gauche avec Gérard Depardieu. Dans Trop belle pour toi, film au postulat provocateur dans lequel elle retrouve Depardieu, Blier offre à l'égérie de Chanel le rôle d'une épouse modèle que son mari trompe avec une secrétaire incarnée par Josiane Balasko. Entre profondeur et autodérision, cette prestation lui vaut le César de la Meilleure actrice en 1989.

Refusant d'être uniquement perçue comme une icône, Carole Bouquet prend désormais part à des comédies acides telles que Tango de Leconte, Grosse Fatigue et Embrassez qui vous voudrez de Michel Blanc, ou encore Blanche, qui la voit manier avec gourmandise la langue verte de Bernie Bonvoisin. Mais, loin de se limiter à ce registre, l'actrice incarne une grande figure de la Résistance dans Lucie Aubrac de Berri (1997), une héroïne romantique dans Un pont entre deux rives, film co-réalisé par Depardieu (devenu son compagnon à la ville), une épouse inquiète dans le thriller Feux rouges (2004) mais aussi une mère protectrice dans Les Fautes d'orthographe. En 2005, celle qui mène depuis longtemps un combat pour la protection de l'enfant campe une avocate au grand coeur dans le loufoque Travaux... et une Occidentale qui part adopter un bébé en Argentine dans Nordeste. L'année suivante la comédienne est choisie pour présider la 31 cérémonie de remise des César avant de tenir le haut de l'affiche d'Aurore, le conte dansé de Nils Tavernier.

En 2007, elle est la tête d'affiche de la comédie romantique Si c'était lui... aux côtés de Marc Lavoine, suivi par le film d'aventures Les Enfants de Timpelbach, produit par son fils, Dimitri Rassam, avant de tourner pour le premier film de la romancière Amanda Sthers, Je vais te manquer. L'année suivante, on la découvre en escort girl prête à échanger sa vie avec une femme au foyer, interprétée par Julie Depardieu, dans Libre échange de Serge Gisquière. En 2011, André Téchiné la met en scène face à André Dussollier, dans un drame amoureux et familial intitulé Impardonnables.

Pas loin de trois ans plus tard, la présidente du jury Jane Campion s'entoure de Carole Bouquet pour la 67ème édition du festival de Cannes.

Assez rare sur les écrans dans les années 2010, la comédienne retrouve Clavier et Leconte pour la comédie Une heure de tranquillité puis Michel Blanc pour Voyez comme on danse. En 2020, elle joue, dans Boutchou, une grand-mère prête-à-tout pour gagner l’exclusivité de son petit-fils. Parallèlement, elle est à l'affiche de Grand Hôtel, la nouvelle série événement de TF1 adaptée du programme espagnol du même nom.