Karoline Schuch, geboren am 19. Oktober 1981 in Jena, sammelte bereits im Kindesalter Theatererfahrungen: Ab dem sechsten Lebensjahr stand sie über einige Jahre hinweg in Inszenierungen des Jenaer Kinderstudios auf der Bühne. Als Jugendliche nahm sie Schauspielunterricht und Stimmtraining unter anderem an der Berliner Hochschule für Schauspielkunst Ernst Busch. Ihr Fernsehdebüt gab sie im Jahr 2000 (bis 2002) mit einer festen Nebenrolle in der erfolgreichen "Daily Soap" "Verbotene Liebe". Im Jahr darauf spielte sie in der "Tatort"-Folge "Biester" erstmals die Tochter des Kölner Kommissars Freddy Schenk (Dietmar Bär). Ihren ersten Kinoauftritt hatte Schuch 2002 in einer Nebenrolle von Annette Ernsts "Kiss and Run", an der Seite von Maggie Peren und Ken Duken.

Seither sah man sie regelmäßig vor allem in Fernsehproduktionen. So etwa als leicht linkische Provinzteenagerin in der Komödie "Die Schönste aus Bitterfeld" (2003), als lesbische junge Frau in der Teenagerkomödie "Seventeen - Mädchen sind die besseren Jungs" (2003), als Tochter einer mutmaßlichen DDR-Spionin in Margarethe von Trottas Beziehungsdrama "Die andere Frau" (2004) oder als Prinzessin Paula in der Märchenverfilmung "Das tapfere Schneiderlein" (2008). Daneben wirkte sie in zahlreichen Gastauftritten in Serien wie "Stolberg", "Der Alte" oder "Der letzte Bulle" mit. 2008 wurde sie für ihre Leistung in der "Tatort"-Folge "Bevor es dunkel wird" (2007) mit dem Günter-Strack-Fernsehpreis als "Beste Nachwuchsdarstellerin" ausgezeichnet.

Zu Schuchs wichtigsten Kinoarbeiten zählt Christian Klandts auf einem realen Fall basierendes Sozialdrama "Weltstadt", über den Fall dreier perspektivloser Jungendlicher in Brandenburg, deren Frustration schließlich zu einem Mord führt. In der Filmbiografie "Zeiten ändern Dich" (2010, Regie: Uli Edel) verkörperte sie die erste große Liebe des Rappers Bushido.

Neben ihrer umfangeichen Schauspieltätigkeit absolvierte Karoline Schuch bis 2010 ein Psychologiestudium in Berlin.

2012 sah man Schuch in gleich zwei prägnanten Rollen auf der Kinoleinwand: In Til Schweigers Thriller "Schutzengel" gab sie eine ehrgeizige junge Staatsanwältin, die einem Mafiaboss das Handwerk liegen will, in Marc Rothemunds "Man tut was Mann kann" verkörperte sie die große Liebe eines schüchternen Computernerds (Oliver Korittke). Danach stand sie für "Hannas Reise" vor der Kamera: Unter der Regie von Julia von Heinz spielt sie darin die Hauptrolle einer jungen Frau, die aus Karrieregründen ehrenamtlich nach Tel Aviv geht. Dort beginnt sie, sich erstmals für die Schuld der Deutschen gegenüber Israel zu interessieren, aber auch für die Vergangenheit ihrer eigenen Familie. Der Film startete Anfang 2014 in den deutschen Kinos.

Ebenfalls 2014 gehörte sie zum Ensemble der Komödie "Wir sind die Neuen", über eine spießige Studenten-WG, die in Streit mit einer partyfreudigen WG älterer Herrschaften gerät. Für "Da muss Mann durch" (2015), eine Fortsetzung von "Mann tut was Mann kann", schlüpfte sie erneut in die Rolle der Iggy. Die Regisseurin Julia von Heinz besetzte sie in der Verfilmung des Bestsellers "Ich bin dann mal weg" (2015) an der Seite von Devid Striesow als Pilgerin auf dem Jakobsweg. Ebenfalls unter der Regie von Julia von Heinz spielte Schuch die Titelrolle in dem Fernsehfilm "Katharina Luther" (2017), für die sie eine Nominierung für den Bayerischen Fernsehpreis erhielt.

Auf der Kinoleinwand sah man Schuch 2017 in der filmischen Fabel "Nur ein Tag", als bezaubernde Eintagsfliege, die jedoch nicht ahnt, dass sie nur einen einzigen Tag zu leben hat. Im September 2018 startete Michael Herbigs "Ballon" im Kino. In diesem auf wahren Begebenheiten beruhenden Drama spielte Schuch eine von vier Personen, die zusammen versuchen mit einem selbstgebauten Heissluftballon aus der DDR in den Westen zu fliehen.

Ihr Bruder Albrecht Schuch arbeitet ebenfalls als Schauspieler.