Karoline Schuch wurde in Jena geboren. Direkt nach dem Abitur wurde sie sowohl mit ihrer ersten Hauptrolle in einer Vorabendserie als auch als Tochter des WDR-„Tatort“- Kommissars Schenk einem breiten Publikum bekannt. Seither wirkte die Schauspielerin in etlichen anspruchsvollen Produktionen mit, u.a. in Claudia Prietzels „Der Puppengräber“, Matthias Tiefenbachers „Die Schönste aus Bitterfeld“ sowie Margarethe von Trottas „Die andere Frau“.

2008 war sie in dem Film „Einer bleibt sitzen“ zu sehen, in der Märchenverfilmung „Das tapfere Schneiderlein“ sowie in einer Episodenhauptrolle in dem Frankfurter Tatort „Bevor es dunkel wird“. Für diese Rolle erhielt sie im selben Jahr den Günter-Strack-Nachwuchspreis. 2009 folgte der ZDF-Dreiteiler „Krupp – Eine Familie zwischen Krieg und Frieden“, Christian Klandts preisgekrönter Debütfilm „Weltstadt“ (u.a. „Silver Zenith des Montreal World Filmfestivals“) und Uli Edels „Zeiten ändern dich“. Neben ihrer Arbeit als Schauspielerin schloss Karoline Schuch 2010 ihr Diplomstudium im Fach Psychologie an der Freien Universität Berlin mit „sehr gut“ ab. 2012 sah man sie im Debütfilm „Puppe, Icke und der Dicke“, in Marc Rothemunds Kinokomödie „Man tut was man kann“ und Til Schweigers Actiondrama „Schutzengel“. 2014 folgte Karoline Schuchs erste große Kinohauptrolle in der deutsch-israelischen Filmproduktion „Hannas Reise“ von Julia von Heinz. Im selben Jahr war sie in dem Überraschungs-Kinohit „Wir sind die Neuen“ von Ralf Westhoff zu sehen, spielte neben Friedrich Mücke im Fernsehdrama „Unter der Haut“ (Regie: Friedemann Fromm) und neben Devid Strieswo in der Verfilmung des Kult-Bestsellers „Ich bin dann mal weg“ von Hape Kerkeling (Regie: Julia von Heinz). 2016 setzte sie ihre Zusammenarbeit mit Regisseurin Julia von Heinz fort und stand als Katharina von Bora vor der Kamera. Anfang 2017 wurde der Film mit dem Namen "Katharina Luther" in der ARD ausgestrahlt. Außerdem sah man sie in dem Kinderkinofilm "Nur ein Tag". 2018 folgte der Kieler Tatort "-Borowski und das Haus der Geister" sowie ihre Hauptrolle in Michael "Bully" Herbigs Kinothriller "Ballon" - die Geschichte der spektakulären Flucht zweier ostdeutscher Familien aus der DDR. 2020 sah man Karoline Schuch in einer Hauptrolle in dem ARD-Fernsehfilm "Der Tote am Meer", in dem vielgelobten dreiteiligen Krimidrama "Das geheinmis des Totenwaldes" sowie in dem preisgekrönten Impro-Film "Für immer Sommer 90" von Jan Georg Schütte. 2021 wird Karoline Schuch als "Beste Darstellerin" für ihre Rolle in "Das Geheimnis des Totenwaldes" mit dem Bayerischen Fernsehpreis 2021 ausgezeichnet. Es folgten Daniel Harrichs "Bis zum letzten Tropfen" und die Thrillerserie "Die zweite Welle". Mit der vielgelobten Mysterie-Serie "Oderbruch" konnte sie erneut das Publikum beeindrucken.