Caroline Cellier est depuis toujours passionnée par la scène et le cinéma. Elle entre aux cours d'art dramatique René Simon en 1963 et fait ses premiers pas sur les planches la même année dans On ne peut jamais dire. En 1964, l'actrice fait ses débuts à la télévision en jouant dans des téléfilms comme La Mégère apprivoisée et Une fille dans la montagne avec
Jacques Higelin, mais n'oublie par pour autant son premier amour, le théâtre. En 1964 elle joue 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 les bras. Dans La Tête du client de
Jacques Poitrenaud, Caroline Cellier donne la réplique à de grands noms du cinéma français :
Michel Serrault,
Francis Blanche et
Jean Poiret. Une rencontre avec
Jean Poiret qui marquera la vie de l'actrice puisqu'ils auront un fils, Nicolas, le 19 novembre 1978. En 1989 ils se marient à la mairie du XVIe arrondissement de Paris. Le couple ne se quittera plus jusqu'au décès de l'acteur, le 14 mars 1992.
En 1968, Caroline Cellier joue dans La Vie, l'Amour, la Mort de
Claude Lelouch avant de donner la réplique, un an plus tard, à
Michel Duchaussoy et
Jean Yanne dans Que la bête meure de
Claude Chabrol. Dès lors, l'actrice est présente sur tous les fronts puisqu'elle alterne théâtre, téléfilms et cinéma. La comédienne tourne pour les plus grands réalisateurs :
Claude Lelouch,
Claude Chabrol,
Edouard Molinaro ou encore Françoise Sagan.
Mais la consécration arrive réellement dans les années quatre-vingt. En 1982, elle tient le rôle de l'épouse de
Patrick Dewaere dans
Mille milliards de dollars d'
Henri Verneuil et enchaîne les succès avec
Surprise Party de
Roger Vadim, P'tit Con de Gérard Lauzier et L'Année des méduses de
Christopher Frank, un rôle pour lequel elle obtient le césar du meilleur second rôle féminin en 1985. La même année, la comédienne retrouve
Claude Chabrol dans
Poulet au vinaigre.
Dès 1986, Caroline Cellier joue des rôles moins conventionnels, puisqu'elle est accro au jeu dans
Poker de
Catherine Corsini aux côtés de
Pierre Arditi, prostituée dans La Contre-allée d'Isabel Sebastian ou encore escroc dans
Vent de panique de
Bernard Stora avec
Bernard Giraudeau. En 1992, elle tourne sous la direction de son mari,
Jean Poiret dans l'adaptation du livre d'
Alexandre Jardin, Le Zèbre, puis incarne Margareth Hunter dans Farinelli de Gérard Corbiau en 1994 avant de retrouver deux ans plus tard
Claude Lelouch pour Hommes, femmes, mode d'emploi.
À partir de 1997, elle tourne dans des comédies, notamment
Didier, de et avec
Alain Chabat,
Le Plaisir et ses petits tracas de
Nicolas Boukhrief aux côtés de
Vincent Cassel ou encore
Jean-Philippe de
Laurent Tuel. En 2007, elle est à l'affiche du film choral Fragile(s) de Martin Valente où elle donne la réplique à
Jean-Pierre Darroussin,
Jacques Gamblin, François Berléand et
Marie Gillain.