Actrice française, Caroline Chaniolleau a été formée par Giorgio Strehler (École du Piccolo Teatro) et Jean-Pierre Vincent (École du TNS). Elle connaît une notoriété à la télévision (L’épingle noire, 1982) où elle collabore avec Serge Moati, Laurent Heynemann, Jean-Pierre Denis ou Tonie Marshall. Au théâtre, la comédienne est dirigée par des metteurs en scène de la trempe de Bernard Sobel et Alain Françon.
Caroline Chaniolleau débute au cinéma en 1980, dans L’enfant roi de René Féret. Elle tient un second rôle dans Urgences (1985) de Gilles Béhat, avant de parvenir, un temps, à se hisser en tête d’affiche avec Strictement personnel (1985) de Pierre Jolivet, Les montagnes de la lune (1987) de Paulo Rocha et Ce que femme veut… (1993) de Gérard Jumel.
Mais elle est le plus souvent en retrait, pour Pierre Granier Deferre (La couleur du vent, 1988), Claude Lelouch (Il y a des jours et des lunes… et des lunes, 1989), Philippe Garrel (Le cœur fantôme, 1996) ou Dominique Crèvecoeur (Les cendres du paradis, 2000).
On la retrouve en avocate dans Je reste ! (2003) de Diane Kurys ou en mère de Pio Marmaï dans Enquête sur un scandale d’État (2021) de Thierry de Peretti. Son dernier film est Jeanne du Barry (2023) de Maïwenn. Caroline Chaniolleau est décédée le 12 juin 2024 à l’âge de 71 ans.