Die deutsche Schauspielerin Karoline Schuch verbrachte ihre Kindheit und Jugend in Jena. Dort sammelte sie bereits im Alter von sechs Jahren im Verein „Kinderstudio Jena e. V.“ erste schauspielerische Erfahrungen. Später nahm sie Schauspielunterricht, unter anderem bei Michael Keller von der Hochschule für Schauspielkunst Ernst Busch in Berlin. Zusätzlich absolvierte Karoline Schuch ein professionelles Stimmtraining.
Direkt nach dem Abitur erhielt sie ihre erste größere Fernsehrolle. Von 2000 bis 2002 war sie in der ARD-Fernsehserie „Verbotene Liebe“ als Lara Cornelius zu sehen. Außerdem spielte sie in zahlreichen Krimi- und Comedyserien mit. So brillierte sie ab 2001 als Serientochter von Dietmar Bär im Kölner „Tatort“. An der Seite von Axel Stein wirkte sie von 2002 bis 2004 in der Comedyserie „Axel!“ mit. Seither erlangte Schuch insbesondere durch ihre Auftritte in diversen Fernseh- und Kinofilmen Bekanntheit. Dazu zählen etwa die Til-Schweiger-Produktionen „Zweiohrküken“ (2009) und „Schutzengel“ (2012) oder der BR-Fernsehfilm „Einer bleibt sitzen“ (2008). 2010 stand sie zusammen mit dem Rapper Bushido für die Filmbiografie „Zeiten ändern dich“ vor der Kamera. Ihre erste Hauptrolle in einem Kinofilm hatte sie schließlich 2013 in „Hannas Reise“.
Weitere Hauptrollen folgten 2017 im Fernsehfilm „Katharina Luther“ und 2018 in Michael „Bully“ Herbigs Thriller „Ballon“. Im Jahr 2021 erhielt sie den Bayerischen Fernsehpreis für ihre schauspielerische Leistung im dreiteiligen Kriminalfilm „Das Geheimnis des Totenwaldes“ (2020).
Neben ihrer Arbeit als Schauspielerin studierte Schuch an der Freien Universität Berlin Psychologie. Das Diplomstudium schloss sie 2010 mit der Note „sehr gut“ ab. Ihr erstes Kind wurde 2014 geboren, 2017 folgte die Geburt des zweiten Kindes. Karoline Schuchs jüngerer Bruder Albrecht ist ebenfalls als Schauspieler tätig.