Caroline Cellier est depuis toujours passionnée par la scène et le cinéma. Elle entre aux cours d'art dramatique René Simon en 1963 et fait ses premiers pas sur les planches la même année dans On ne peut jamais dire. En 1964, l'actrice fait ses débuts à la télévision en jouant dans des téléfilms comme La Mégère apprivoisée et Une fille dans la montagne, avec Jacques Higelin, mais n'oublie par pour autant son premier amour, le théâtre. En 1964, elle joue dans Croque-Monsieur et Du vent dans les branches de sassafras, pièces pour lesquelles elle obtient les prix Gérard-Philipe et Suzanne Bianchetti. Un an plus tard, le cinéma lui ouvre les bras. Dans La Tête du client, de Jacques Poitrenaud, Caroline Cellier donne la réplique à de grands noms du cinéma français : Michel Serrault, Francis Blanche et Jean Poiret. Une rencontre avec Jean Poiret qui marquera sa vie (voir « Vie privée »). En 1968, Caroline Cellier joue dans La Vie, l'Amour, la Mort, de Claude Lelouch, avant de donner la réplique, un an plus tard, à Michel Duchaussoy et Jean Yanne dans Que la bête meure, de Claude Chabrol. Dès lors, l'actrice est présente sur tous les fronts puisqu'elle alterne théâtre, téléfilms et cinéma. La comédienne tourne pour les plus grands réalisateurs : Claude Lelouch, Claude Chabrol, Édouard Molinaro ou encore Françoise Sagan. Mais la consécration arrive réellement dans les années 1980. En 1982, elle tient le rôle de l'épouse de Patrick Dewaere dans Mille milliards de dollars, d'Henri Verneuil, et enchaîne les succès avec Surprise Party, de Roger Vadim, P'tit Con, de Gérard Lauzier, et L'Année des méduses, de Christopher Frank, un rôle pour lequel elle obtient le césar du meilleur second rôle féminin en 1985. La même année, la comédienne retrouve Claude Chabrol dans Poulet au vinaigre. Dès 1986, Caroline Cellier joue des rôles moins conventionnels, puisqu'elle est accro au jeu dans Poker, de Catherine Corsini, aux côtés de Pierre Arditi, prostituée dans La Contre-allée, d'Isabel Sebastian, ou encore escroc dans Vent de panique, de Bernard Stora, avec Bernard Giraudeau. En 1992, elle tourne sous la direction de son mari, Jean Poiret, dans l'adaptation du livre d'Alexandre Jardin, Le Zèbre, puis incarne Margareth Hunter dans Farinelli, de Gérard Corbiau, en 1994 avant de retrouver deux ans plus tard Claude Lelouch pour Hommes, femmes, mode d'emploi. Elle participe au Concert des Enfoirés 1997. À partir de 1997, elle tourne dans des comédies, notamment Didier, de et avec Alain Chabat, Le Plaisir et ses petits tracas, de Nicolas Boukhrief, aux côtés de Vincent Cassel, ou encore Jean-Philippe, de Laurent Tuel. En 2007, elle est à l'affiche du film choral Fragile(s), de Martin Valente, où elle donne la réplique à Jean-Pierre Darroussin, Jacques Gamblin, François Berléand et Marie Gillain.
La Tête du client
1965
Rôle : Evelyne Berrien
Certaines nouvelles
1980
Rôle : Françoise
Julie de Carneilhan
1990
Rôle : Julia de Carneilhan
Le Bonheur à Romorantin
1983
Rôle : Agnès
Le Grand Restaurant II
2011
Rôle : The Monogamous Libertine
Les fougères bleues
1977
Rôle : Betty
L'Année des méduses
1984
Rôle : Claude Rivaut
Grand Guignol
1987
Rôle : Sarah
Thelma, Louise et Chantal
2010
Rôle : Gabrielle
La Mégère apprivoisée
1964
Rôle : Bianca
Le Plaisir (et ses petits tracas)
1998
Rôle : Hélène
Mille milliards de dollars
1982
Rôle : Hélène Kerjean
Le Zèbre
1992
Rôle : Camille
Que la bête meure
1969
Rôle : Helene Lanson
L'Emmerdeur
1973
Rôle : Louise Pignon
Farinelli
1994
Rôle : Margareth Hunter
Surprise Party
1983
Rôle : Lisa Bourget
Poulet au vinaigre
1985
Rôle : Anna Foscarie
Didier
1997
Rôle : Annabelle
Mariage
1974
Rôle : La jeune mariée
Hommes, femmes : Mode d'emploi
1996
Rôle : Madame Blanc
P'tit Con
1984
Rôle : Annie Choupon
Jean-Philippe
2006
Rôle : Caroline
Les Enfoirés - Les Enfoirés en chœur de 1985 à aujourd'hui
2014
Délit mineur
1994
Rôle : Claire
L'Élève
1996
Rôle : Emma
le vol d'Icare
1980
Rôle : Adeline
La vie, l'amour, la mort
1969
Rôle : Caroline
Transit
2004
Poker
1988
Rôle : Hélène
Vent de panique
1987
Rôle : Martine
Les Enfoirés 1997 - Le Zénith des Enfoirés
1997
Femmes de personne
1984
Rôle : Isabelle
Les Aveux les plus doux
1971
Rôle : Catherine
Fragile(s)
2007
Rôle : Hélène
Charlie Dingo
1987
Rôle : Georgia Wolski
La Contre-allée
1991
Rôle : Lilas