Родилась 22 мая 1984 года в Берлине.
С детства начала сниматься в кино, причем случайно: дважды на девочку обращали внимание агенты по подбору актеров, и оба раза это происходило прямо во дворе школы, где училась Каролина; сначала - когда Херфурт исполнилось 11 лет, затем – когда ей было 15. Итогом стали фильмы «Каникулы по ту сторону Луны» (Ferien jenseits des Mondes) и «Crazy» по одноименному роману юного немецкого автора Бенджамина Леберта (на момент экранизации ему было всего 17).
Широкому зрителю Херфурт открыли молодежные комедии «Девочки сверху» (Mädchen, Mädchen, 2001, реж. Деннис Ганзель) и «Девочки сверху-2» (Mädchen, Mädchen – Loft oder Liebe, 2004, реж. Петер Герзина).
В 2003 году Каролина поступила в тот же театральный вуз, что и ее старшая коллега Нина Хосс – театральную школу им. Эрнста Буша, которую окончила в 2008, после чего поступила в Университет Гумбольдта, где изучала социологию и политологию.
Через некоторое время к молодой актрисе пришла и мировая известность: в 2006 году она снялась в нашумевшей экранизации романа Патрика Зюскинда «Парфюмер» (Das Parfum - Die Geschichte eines Mörders, реж. Том Тыквер), а в 2008 – в другой экранизации, на сей раз бестселлера Бернарда Шлинка «Чтец» (The Reader, реж. Стивен Долдри), где ее партнерами по фильму стали Рэйф Файнс и Кейт Уинслет. Главная роль в картине «Год зимы» (Im Winter ein Jahr, 2008, реж. Каролина Линк) принесла в 2009 году Херфурт как самой многообещающей дебютантке премию Bayerischer Filmpreis, ежегодно присуждаемую правительством Баварии за выдающиеся достижения в киноискусстве, а также приз Общества немецких кинокритиков в категории «Лучшая актриса». Среди других недавних работ Каролины Херфурт можно выделить ленты «Берлин 36» (Berlin 36, 2009, реж. Каспар Гейдельбах), где она сыграла немецкую легкоатлетку Гретель Бергман, в 1936 году отстраненную из-за своего еврейского происхождения от участия в Олимпийских играх, и «Винсент хочет к морю» (Vinsent will meer, 2010, реж. Ральф Хютнер).