Fille du galeriste Albert Loeb et petite-fille du galeriste Pierre Loeb, elle passe une partie de son enfance à New York, aux États-Unis.
Passionnée de théâtre, elle va au Cours Florent aux côtés de Sabine Haudepin et Jean-Pierre Darroussin, sous la direction de Francis Huster. Elle est à l'affiche de Succès . Elle joue ensuite dans Santa Claus is back in town, de et avec Farid Chopel au Théâtre Le Palace, puis dans Spaghetti bolognese de Tilly, mis en scène par Michel Hermon, Elle joue dans de nombreux films réalisés par Adolfo Arrieta, James Ivory, Jacques Demy, Stephanie de Mareuil, Virginie Thevenet ou encore Annick Lanoë.
En 1983 Caroline Loeb sort son premier album, Piranana dont elle écrit les paroles. En 1986, elle acquiert une subite notoriété avec un titre dont elle est l'interprète et le co-auteur, C'est la ouate. La chanson devient un énorme tube en France et dans plusieurs pays (Italie, Allemagne, Argentine...). Elle est même citée par François Mitterrand, président de la République, lors d'une interview accordée à Yves Mourousi. Il s'en publie encore plusieurs versions chaque année.
De 1995 à 1996, elle co-anime avec Laurent Petitguillaume et sous la direction de Pascale Breugnot une émission mensuelle de seconde partie de soirée sur TF1 : Scènes de Ménage. A la radio, on l'entendra aux côtés de Isabelle Alonso sur RTL 2, Laurent Ruquier, Philippe Bouvard, ainsi que sur la City Radio et sur Radio Nova.
Dès 1993, Caroline Loeb se découvre une passion pour la mise en scène, et dirige de nombreux artistes. En 1999 elle crée à Avignon Shirley, avec Judith Magre, d'aprés les carnets de Shirley Goldfarb, textes réunis par Gregory Masurovsky, qui vaudra à la comédienne son deuxième Molière.
De 2001 à 2006, elle met en scène le groupe de rock français les Weepers Circus.
Elle publie son premier roman Has been, fin 2006, quelques années après la parution de ses chroniques radios éditées Bon chic chroniques en 1993.
On la voit aussi dans la série Vénus Et Apollon.
En février 2007 Caroline Loeb met en scène et joue Les Monologues du vagin au Théâtre Michel à Paris puis se rend au Festival d'Avignon 2007 où elle crée L'oiseau rare, un spectacle musical, hommage à la comédie musicale et au music-hall. Ce spectacle sera repris jusqu'en avril 2008.
Aprés avoir créé Voyage de notes, elle collabore avec Alain Chamfort à la création de sa nouvelle scène Chansons en trompe l'œil qu'ils créent à Haubourdin en novembre 2007.
Côté cinéma, elle tourne en 2008 dans Comme Une étoile Dans La Nuit sous la direction de René Ferret aux côtés de Salomé et Jean-François Stévenin. Elle passe pour la première fois à la réalisation avec Vous Désirez ?, son premier court-métrage.
