Actrice et chanteuse néerlandaise, Carice van Houten étudie depuis très jeune la comédie et se produit au théâtre dès la fin des années 90. Elle est alors repérée par un réalisateur de la série télévisée The Labyrinth (1997).
Elle doit toutefois attendre 2006 pour être révélée au grand public international par Paul Verhoeven dans Black Book. On la retrouve ensuite dans Dorothy (Merlet, 2008), Walkyrie (Singer, 2009) et Black Death (Smith, 2010).
En 2012, elle entame une carrière de chanteuse qui se rapproche du style de Kate Bush. Cette même année, elle incarne Mélisandre d’Asshaï dans la série événement Game of Thrones qui dure de 2012 à 2019. Il s’agit de son rôle le plus populaire.
Au cinéma, on l’a retrouvé dans Le cinquième pouvoir (Condon, 2013), Brimstone (Koolhoven, 2017) et Domino – la guerre silencieuse (De Palma, 2019).