Caroline Tillette s’est formée à la Classe Libre du Cours Florent puis à la London Academy of Music and Dramatic (LAMDA). Elle décroche son premier rôle au cinéma dans Gainsbourg, vie héroïque réalisé par Joann Sfar. Elle travaille ensuite sous la direction de Nina Companeez en incarnant Albertine dans son adaptation de A la recherche du temps perdu, ou encore Marie-Jeanne dans Le Général du roi. En 2017, elle rencontre Paolo Sorrentino et joue dans ses derniers projets.Dernièrement, elle était dans Extazius de Bertrand Mandico ou encore Skam de David Hourrègue. Elle est actuellement à l’affiche de la série That dirty black bag, un western spaghetti diffusé sur AMC et Paramount +.