Formée à l’École nationale supérieure des arts et techniques du théâtre (ENSATT), Carole Franck se consacre à la scène, la télévision et le cinéma depuis la fin des années 80. Elle assure également des doublages (voix française de Catherine Keener, Patricia Arquette). Sa première apparition au grand écran est dans la comédie Vanille fraise (1989) de Gérard Oury.
Elle enchaîne des petits rôles pour Coline Serreau, Richard Dembo, Jean-Pierre Sentier ou Ismail Merchant. Abdellatif Kechiche lui fait ensuite incarner la gérante du foyer dans La faute à Voltaire (2000), et surtout la professeure de français dans L’esquive (2004), César du meilleur film.
Depuis, Carole Franck est l’un des seconds rôles les plus familiers, mais aussi discrets, du cinéma français. Cette actrice talentueuse a été vue en productrice de télévision dans Les poupées russes (2005) de Cédric Klapisch, voisine dans La graine et le mulet (2007) de Kechiche, inspectrice de police dans Aide-toi, le ciel t’aidera (2008) de François Dupeyron, ou directrice d’orphelinat dans Je suis heureux que ma mère soit vivante (2009) de Claude Miller.
On la retrouve en mère de Sara Forestier dans Le nom des gens (2010) de Michel Leclerc, épouse de commandant dans Polisse (2011) de Maïwenn, infirmière dans Amour (2012) de Michael Haneke, policière dans Jeune et jolie (2013) de François Ozon, mère alcoolique dans Respire (2014) de Mélanie Laurent, religieuse dans Au revoir là-haut (2017) d’Albert Dupontel, ou psychiatre dans Les chatouilles (2018) d’Andréa Bescond et Éric Métayer.
Carole Franck a aussi tourné pour Mia Hansen-Løve, Pierre Salvadori, Thomas Lilti, Audrey Diwan…
