Fille d'un designer et d'une secrétaire, la jeune Isabelle Carré prend des cours pour devenir danseuse. Si elle doit bientôt renoncer à son ambition, cette expérience lui donne le goût de la scène. Multipliant alors les cours de théâtre, la jeune comédienne, qui voue une admiration sans bornes à Romy Schneider, choisit pour ses auditions un passage de César et Rosalie.

En 1988, pour son premier rôle au cinéma, Isabelle Carré est la fille de Daniel Auteuil dans Romuald et Juliette de Coline Serreau. Deux ans plus tard, elle est celle de Catherine Deneuve dans La Reine blanche de Jean-Loup Hubert. Mais c'est grâce à son rôle d'étudiante dans Beau fixe de Christian Vincent que l'actrice est remarquée en 1992 - elle obtient d'ailleurs pour ce film la première de ses 3 nominations au César du Meilleur espoir féminin. Enchaînant les projets sur les planches (elle reçoit d'ailleurs le Prix Arletty en 1993), elle décroche des rôles secondaires dans de grands films en costumes (Le Hussard sur le toit, Beaumarchais l'insolent).

En 1997, le visage angélique d'Isabelle Carré est de tous les plans dans La Femme défendue, tourné en caméra subjective par Philippe Harel - une performance qui lui vaut notamment le Prix Romy Schneider. De plus en plus sollicitée, l'actrice participe à la "fantaisie" de Jeanne Labrune dans Ca ira mieux demain (2000) et campe une mère junkie dans Mercredi folle journée (2001). Cependant, c'est son émouvante composition d'amoureuse atteinte de la maladie d'Alzheimer dans Se souvenir des belles choses de Zabou Breitman qui lui apporte la consécration en 2002.

Jeune première devenue valeur sûre du cinéma français, Isabelle Carré, auréolée du César de la Meilleure actrice en 2003, fait partie du quatuor amoureux des Sentiments de Noémie Lvovsky avant de former des tandems avec des stars comme Benoît Poelvoorde (Entre ses mains, 2005) ou José Garcia (Quatre étoiles, 2006). Partie au Cambodge tourner Holy Lola de Tavernier (2003), elle évolue dans les univers les plus variés, du cinéma familial (L'Avion, Le Renard et l'enfant) au vrai-faux documentaire d'auteur (Les Bureaux de Dieu, 2008) en passant par la comédie de mœurs (Cliente, Tellement proches).

Accueillie en 2006 par la troupe de Resnais (Coeurs), elle impressionne l'année suivante dans le rôle de l'érotomane Anna M. (2007). Elle se lance ensuite un nouveau défi en tournant, alors qu'elle est enceinte, Le Refuge, récit d'une renaissance signé François Ozon (2010). La même année, elle retrouve Benoît Poelvoorde (5 ans après Entre ses mains d'Anne Fontaine) dans Les Emotifs anonymes, romance cocasse de Jean-Pierre Améris, qui lui offre un rôle à la hauteur de sa délicatesse et de son talent comique.

L'année 2012 est particulièrement chargée pour Isabelle Carré, qui est à l'affiche de quatre films après avoir aidé Benoît Magimel à surmonter la disparition de sa femme dans Des vents contraires en 2011 : on peut donc la voir dans la comédie romantique La Cerise sur le gâteau et les comédies dramatiques Du Vent dans mes mollets et Cherchez Hortense. Elle participe également au casting vocal du Jour des Corneilles : une expérience que la comédienne connait, car elle avait déjà prêté sa voix pour le film d'animation La Légende de Parva en 2003.

Par la suite, Isabelle Carré se fait plus discrète sur les écrans en privilégiant davantage les "petits" films tels que les comédies Cheba Louisa de Françoise Charpiat où elle campe une jeune femme se liant d'amitié avec Rachida Brakni et Du Goudron et des plumes de Pascal Rabaté dans lequel elle partage l'affiche avec Sami Bouajila. En novembre 2014, la comédienne revient avec deux nouveaux projets puisqu'elle interprète la mère dépressive de Joséphine Japy dans Respire de Mélanie Laurent et campe la religieuse Soeur Sainte-Marguerite dans le drame Marie Heurtin.

Enchaînant les prestations dans des comédies (Les Chaises musicales, Ange et Gabrielle, Une vie ailleurs, Comment j'ai rencontré mon père, Garde alternée, L'Esprit de famille), Isabelle Carré goûte en 2020 au biopic via De Gaulle, dans lequel elle se glisse dans la peau de Yvonne de Gaulle, épouse du célèbre homme politique. L'année suivante, elle reste dans le domaine historique avec Délicieux, un film qui donne faim se déroulant à l'aube de la Révolution française, avec Grégory Gadebois jouant un prodige de la cuisine.