Karoline Herfurth wurde am 22. Mai 1984 in Berlin geboren. Bereits in der Schulzeit sammelte sie erste Schauspielerfahrungen in Fernsehproduktionen, 2000 folgte das Leinwanddebüt in der Rolle der Anna in Hans-Christian Schmids Jugenddrama "Crazy".

Ihre erste Kinohauptrolle übernahm Karoline Herfurth im darauffolgenden Jahr in der Coming-of-Age-Komödie "Mädchen, Mädchen" von Dennis Gansel. In Anlehnung an US-amerikanische Genrevorbilder inszeniert, wurde der Film ein Publikumserfolg und fand 2004 mit "Mädchen, Mädchen 2 – Loft oder Liebe" seine Fortsetzung. Vor dem Sequel wirkte Karoline Herfurth in dem Drama "Große Mädchen weinen nicht" (2002) und dem Historienfilm "Mein Name ist Bach" (2003) mit und schloss ihre Schulausbildung mit dem Abitur ab.

Unter der Regie von Buket Alakus spielte sie in "Eine andere Liga" (2005) die Deutschtürkin Hayat, die in Hamburg bei ihrem verwitweten Vater aufwächst. Hayat ist eine hochtalentierte und leidenschaftliche Fußballerin, doch als ihr aufgrund einer Krebserkrankung eine Brust amputiert wird, gerät ihr Leben auf und neben dem Platz aus der Bahn. Mit ihrer nuancierten Darstellung einer jungen Frau, die allmählich ihren Mut wiederfindet und dabei die Liebe entdeckt, etablierte sich Karoline Herfurth endgültig als eine der vielseitigsten Schauspielerinnen im deutschen Film. Die Kritik lobte einhellig Film und Hauptdarstellerin und 2008 wurden Stab und Besetzung von "Eine andere Liga" mit dem Grimme-Preis ausgezeichnet.

In Tom Tykwers aufwändiger Verfilmung von Patrick Süskinds Bestseller "Das Parfüm – Die Geschichte eines Mörders" hatte Herfurth einen einprägsamen Auftritt als tragisches Mirabellen-Mädchen. Es folgten Rollen in der nostalgischen Erotikkomödie "Pornorama oder die Bekenntnisse der mannstollen Näherin Rita Brauchts" (2007) und einer preisgekrönten Leinwandadaption von "Peer Gynt" (2006). 2006 war sie zudem Teil des Ensembles in Hans-Christoph Blumenbergs Fernsehmehrteiler "Die Kinder der Flucht".

2008 spielte Karoline Herfurth in dem großangelegten TV-Drama "Das Wunder von Berlin" eine ostdeutsche Jugendliche, deren Freund 1988 ins Visier der Staatssicherheit gerät. In "Im Winter ein Jahr" von Caroline Link verkörpert sie an der Seite von Sepp Bierbichler und Corinna Harfouch die traumatisierte Schwester eines Unfallopfers. Für diese Rolle wurde sie sowohl mit dem Preis der deutschen Filmkritik als Beste Darstellerin als auch mit dem Bayerischen Filmpreis als Beste Nachwuchsdarstellerin ausgezeichnet.

Ebenfalls 2008 übernahm Karoline Herfurth eine Nebenrolle in der internationalen und starbesetzten Produktion "The Reader", die auf dem weltweit erfolgreichen Roman "Der Vorleser" von Bernhard Schlink basiert. Im gleichen Jahr schloss sie ihr Studium an der Schauspielschule Ernst Busch in Berlin ab und begann ein Studium der Sozialwissenschaften.

2009 spielte Karoline Herfurth eine Hauptrolle in "Berlin "36": Basierend auf einer wahren Geschichte verkörpert sie in dem Drama eine jüdische Sportlerin, die bei der Olympiade in Berlin 1936 von den Nazis aus politischem Kalkül in das deutsche Team gezwungen wurde. 2010 ist sie nach einer Rolle als Magersüchtige im Überraschungserfolg "Vincent will Meer" in der Hauptrolle von Dennis Gansels Vampirdrama "Wir sind die Nacht" zu sehen: Als Taschendiebin Lena gerät sie in Berlin in den Bann einer Blutsaugerclique unter Führung von Nina Hoss.