Nata e cresciuta a Oslo, Caroline ha giocato per la squadra locale di Lyn fino all'età di 15 anni. Ha debuttato come ala nella nazionale norvegese nel 2011, mentre nel 2013 ha fatto parte della squadra che ha portato la Norvegia a vincere l'argento a UEFA Women's Euro™. Nel 2019 è stata inserita nella top ten del premio UEFA Women's Player of the Year, oltre che nella FIFA Best top 10. Ciò dimostra che Caroline è una giocatrice fondamentale sulla scena internazionale.

Caroline ora gioca per l'FC Barcelona, con cui ha vinto la finale di UEFA Champions League 2020/21.