Caroline Beil ist die Tochter von Schlagersänger und Trompeter Peter Beil und Barbara Kalweit, Miss Hamburg 1964. Sie absolvierte eine Gesangs- und Schauspielausbildung, unter anderem auch in Los Angeles, wo sie Mitglied der Screen Actors Guild (SAG) wurde. Nach einem mehrjährigen Auslandsaufenthalt und einer Tätigkeit als internationales Fotomodell studierte Beil von 1992 bis 1995 Soziologie an der Hamburger Universität für Wirtschaft und Politik (HWP) und machte dort ihren Abschluss als Diplom-Sozialwirtin. Daneben arbeitete sie als Synchronsprecherin und Sängerin und moderierte für RTL das Kinomagazin Film Up sowie für Hamburg 1 das Kinomagazin Movie 1.

1996 spielte Beil in 24 Folgen der ARD-Comedy-Serie Ein ehrenwertes Haus eine der Hauptrollen. Bekannt wurde sie durch die Moderation (1999 bis 2004) des Boulevardmagazins Blitz beim Privatfernsehsender Sat.1. 2004 nahm sie an der RTL-Dschungelshow Ich bin ein Star – Holt mich hier raus! teil.

Im Juli 2006 war Beil in der RTL-Soap Gute Zeiten, schlechte Zeiten in einer Gastrolle zu sehen. Von Oktober 2007 bis August 2008 war sie in einer Hauptrolle der Telenovela Sturm der Liebe im Ersten zu sehen. Zwischen Mai und Dezember 2008 moderierte sie beim TV-Sender Das Vierte die Rubrik Hollywood Superstars.

Im Juli und August 2010 stand sie in Rolf Hochhuths Musical-Uraufführung Inselkomödie- oder Lysistrate und die Nato im Theater am Schiffbauerdamm in Berlin in der Hauptrolle der Lysistrate auf der Bühne.

Von 2011 bis 2012 spielte sie eine der Hauptrollen in der ZDF-Serie Herzflimmern. 2011 erschien die von ihr produzierte Mami DVD, mit einem Yogateil und Tipps rund um die Schwangerschaft. Am 21. Juli 2013 war sie in der VOX-Show Das perfekte Dinner zu sehen.

Seit April 2015 moderiert sie das tägliche Lifestyle-Magazin doppio.tv, das in der Schweiz bei TV24 ausgestrahlt wird. Im August 2015 stand Beil in einer Hauptrolle im Stück Hammerfrauen auf der Bühne des renommierten Berliner Theaters Die Wühlmäuse, das von Dieter Hallervorden geführt wird.

Im September 2015 erschien das deutsche Duett-Album Beziehungsweise, auf dem Beil zusammen mit Oliver Lukas singt und auch für einige Lieder die Texte schrieb. Produziert wurde das Album von Luis Rodriguez.