Après avoir étudié à l'École nationale supérieure des arts et techniques du théâtre, à Paris, Carole Franck multiplie les castings tout en participant à plusieurs pièces de théâtre écrites par de prestigieux auteurs. De la fin des années 1980 jusqu'au début des années 2000, elle joue ainsi dans "Summer" d’Edward Bond, "Love's labor's lost" de William Shakespeare, "Les Serments indiscrets" de Marivaux ou encore "Le Sang" de Sergi Belbel.

Côté cinéma, Carole Franck apparaît furtivement dans plusieurs films depuis 1989, dont Vanille Fraise de Gérard Oury, Romuald et Juliette de Coline Serreau, Jour après jour d'Alain Attal, Le Coup suprême de Jean-Pierre Sentier, La Propriétaire d'Ismail Merchant et Le Schpountz de Gérard Oury. En 2000, la comédienne joue Barbara, la gérante du foyer, dans La Faute à Voltaire d'Abdellatif Kechiche. Un cinéaste atypique qu'elle retrouve pour L'Esquive (2003) et La Graine et le Mulet (2007).

Ses rôles gagnant sensiblement en importance, on peut la voir dans des films originaux bénéficiant d'un certain succès critique et public comme Le Nom des gens, Polisse, Dans la cour et Hippocrate. En 2018, Carole Franck incarne une sympathique psychologue dans le film autobiographique Les Chatouilles d'Andréa Bescond et Éric Métayer, qui traite d'un sujet difficile : la reconstruction d'une personne victime d'abus sexuels durant son enfance. 

Habituée à jouer dans des drames réalistes ancrés dans l'ère du temps, Carole Franck donne la réplique à Pio Marmai et Céline Sallette dans Mais vous êtes fous (2019), où un couple perd la garde de ses enfants en raison de la toxicomanie du mari. Elle campe plus précisément la mère de Salette. Cette même année, l'actrice gagnant de plus en plus en notoriété est au casting de la comédie footballistique Comme des garçons emmenée par Max Boublil et Vanessa Guide.

Parallèlement, Carole Franck est également très présente à la télévision comme ses prestations dans les téléfilms La Visite de Pierre Sisser, Un singe sur le dos de Jacques Maillot, Un soupçon d'innocence d'Olivier Péray ou encore Ma mère, le crabe et moi de Yann Samuell en témoignent. Elle participe aussi à de nombreuses séries très populaires (et souvent policières ou judiciaires), comme L'instit, Julie Lescaut, Avocats & associés, Cordier, juge et flic, Joséphine, ange gardien, Le juge est une femme, Groupe flag et Les Revenants.