Caroline Cellier, de son vrai nom Monique Cellier, entre au Cours d'art dramatique René Simon en 1963 et fait ses premiers pas sur les planches la même année dans la pièce On ne peut jamais dire. L'année suivante, elle fait ses débuts d'actrice dans les téléfilms La Mégère apprivoisée et Une fille dans la montagne avec Jacques Higelin, mais n'oublie par pour autant son premier amour, le théâtre. On l'aperçoit ainsi dans Croque-Monsieur et Du Vent dans les Branches de Sassafras, pièces pour lesquelles elle obtient les prix Gérard Philipe et Suzanne Bianchetti.

Un an plus tard, le cinéma lui ouvre ses portes. Dans La Tête du client (1965) de Jacques Poitrenaud, Caroline Cellier donne la réplique à de grands noms du cinéma français comme Michel Serrault, Francis Blanche et Jean Poiret. Elle travaille par la suite avec des réalisateurs aussi talentueux que Claude Lelouch (La Vie, l'amour, la mort, Mariage), Claude Chabrol (Que la bête meure, 1969) ou encore Edouard Molinaro (Les Aveux les plus doux, L'Emmerdeur). Mais il lui faut attendre les années 80 pour connaître la consécration. Ainsi en 1982, Caroline Cellier tient le rôle de l‘épouse de Patrick Dewaere dans Mille milliards de dollars d'Henri Verneuil. On la retrouve également au casting de deux films marquants de cette décennie : L'Année des méduses, qui lui vaut le César du Meilleur second rôle féminin en 1985, et le polar chabrolien Poulet au vinaigre.

Partenaire à deux reprises de Niels Arestrup dans Charlie Dingo (1987) et Délit mineur (1994), elle joue sous la direction de Jean Poiret, son mari depuis 1989, dans l'adaptation du livre d'Alexandre Jardin, Le Zèbre (1992), puis incarne Margareth Hunter dans la fresque Farinelli (1994) de Gérard Corbiau. Après avoir brillé aux côtés de Vincent Cassel (L'Elève et Le Plaisir et ses petits tracas) et Alain Chabat (Didier, 1997), Caroline Cellier se fait plus discrète à l'écran. La jeune génération la redécouvre toutefois dans les années 2000 avec des oeuvres aussi diverses que la comédie Jean-Philippe (2006), le film choral Fragile(s) (2007) ou encore le road movie féminin Thelma, Louise et Chantal (2010) de Benoît Pétré.