Carice Van Houten développe très vite une passion pour le cinéma, née d'une vision précoce du Napoléon d'Abel Gance. Après des études à l'école Bonifatius Lyceum d'Utrecht, la jeune Hollandaise apprend la comédie dans des écoles d'arts dramatiques d'Amsterdam et Maastricht, puis débute sa carrière sur les planches et à la télévision néerlandaise à la fin des années 90.

Populaire sur petit écran et sur scène, Carice Van Houten le devient également au cinéma avec la comédie familiale Minoes (2001), dans laquelle elle incarne le rôle-titre, celui d'une... chatte se transformant en jeune femme. Le film est un succès public en Hollande et permet à la jeune femme d'enchaîner les tournages sur ses terres, dont celui de Zwarte zwanen (2005).

Mais c'est en 2006 que tout s'accélère pour Carice Van Houten : son compatriote Paul Verhoeven (Basic Instinct, Hollow Man, l'homme sans ombre) fait appel à elle pour tenir le rôle principal de Black Book, celui d'une chanteuse juive infiltrant la Gestapo pour le compte des forces hollandaises, durant la Seconde Guerre mondiale. Le film est un succès international, plébiscité par la critique, et offre à l'actrice des perspectives nouvelles...

Après le succès de Black Book, Carice Van Houten décide de tourner pour la Française Agnès Merlet dans l'inquiétant Dorothy (2008). Mais Hollywood s'intéresse aussi à elle. La comédienne est ainsi choisie pour donner la réplique à Tom Cruise dans Valkyrie, réalisé par Bryan Singer, long-métrage qui revient sur une tentative d'assassinat menée contre Hitler durant la Seconde Guerre mondiale. On la retrouve ensuite dans plusieurs films de genre qui ne rencontrent pas un grand succès (Repo Men, Black Death, Intruders). En 2012, elle joue le rôle titre du film Ingrid Jonker, l'histoire vraie, dans les années soixante, d'une poète sud-africaine pendant l'Apartheid.