Carole Bouquet accomplit dès ses 16 ans des études de philosophie et de théâtre dans un lycée religieux. Elle reçoit au Conservatoire National les enseignements d’Antoine Vitez. Après n’être resté que quelques jours à la Sorbonne, Carole Bouquet est bien décidée à embrasser la carrière de comédienne. Elle suit alors les cours du Conservatoire supérieur d’art dramatique à Paris dont la formation s’étale sur trois ans. Mais après un an d’étude, elle tourne en 1976 dans un feuilleton télévisé avant d’être choisie, à tout juste 17 ans, par un Luís Buñuel inspiré qui en fait Cet Obscur objet du désir (1977) Un film gigogne superbe et déroutant qui lance la toute jeune comédienne dont on loue déjà l’immense beauté. Le film est nommé aux Césars, et Carole se fait immédiatement un nom en France et à l’étranger.

Après un séjour sur la côte Est des États-Unis, pour perfectionner son anglais, elle revient à Paris pour faire du théâtre. On la retrouve à la fois sur les planches et sur le grand écran, notamment chez Bertrand Blier, dans le délirant et très pince-sans-rire Buffet froid (1979) Elle retrouvera d’ailleurs le cinéaste 10 ans plus tard avec Trop belle pour toi (1989) son interprétation lui valant alors le César de la meilleure actrice (5 ans après une nomination au Meilleur second rôle féminin pour Rive droite, rive gauche (1984) .

Après avoir joué les James Bond’s girl dans Rien que pour vos yeux (For Your Eyes Only) (1981) elle poursuit une carrière internationale en participant à des films italiens plus ou moins bons (elle accepte certains rôles médiocres juste parce qu’elle est très attachée à ce pays), mais aussi en faisant une apparition dans le segment de New York Stories (1989) dirigé par Francis Ford Coppola, et en donnant la réplique à Christopher Walken dans la comédie américaine D'une femme à l'autre (A Business Affair) (1993)

Dans les années 1990, l’actrice oscille entre des genres variés ; la science-fiction underground avec Bunker Palace Hôtel (1989) (L’ Art de survivre) d’Enki Bilal, de nouveau la réalisation collective avec Contre l'oubli (1991) où 30 cinéastes témoignent à l’occasion du 30ème anniversaire d’Amnesty International des violations des Droits de l’Homme à travers le monde, le drame historique avec Lucie Aubrac (1996) le drame sentimental avec Un Pont entre deux rives (1998) réalisé par son compagnon Gérard Depardieu, ou encore la franche comédie avec Wasabi (2001) Blanche (2002) ou Embrassez qui vous voudrez (2002) où elle exprime une vraie folie, éloignée de son image de femme froide.

Carole Bouquet a été en outre le visage de la marque Chanel et est le porte-parole combatif de l’association «La Voix de l’Enfant» militant contre l’enfance maltraitée.