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 "Der Vorleser" nach dem weltweit erfolgreichen Roman von Bernhard Schlink. 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 war 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.

2011/2012 sah man Herfurth in einer Reihe sehr unterschiedlicher Filme: In dem Mutter-Tochter-Drama "Das Blaue vom Himmel" verkörperte sie in Rückblenden die von Hannelore Elsner gespielte Protagonistin in jungen Jahren; in dem Familiendrama "Festung" spielte sie eine junge Frau, der die Flucht aus ihrer von Gewalt zerrütteten Familie gelingt; in der Satire "Zettl" gab sie die ehemalige Geliebte des von Götz George gespielten Bundeskanzlers und in "Errors of the Human Body" eine ambitionierte Wissenschaftlerin. 2012 führte sie auch zum ersten Mal Regie, bei dem Kurzfilm "Mittelkleiner Mensch".

Unter der Regie von Brian De Palma sah man Herfurth 2013 in dem Thriller "Passion" als ehrgeizige Berliner Werberin, die in eine mörderische Intrige verwickelt wird. Eine humorvollere Rolle hatte sie danach in "Fack Ju Göhte" (2013) als Referendarin, die sich in ihren neuen Kollegen verliebt, nicht ahnend, dass er in Wahrheit ein Ganove ist.

2014 verkörperte sie in dem Kinderfilm "Rico, Oskar und die Tieferschatten" die Mutter der jungen Titelfigur Rico; im Jahr darauf hatte sie in der Komödie "Traumfrauen" eine Hauptrolle als Schwester einer liebeskranken Frau (Hannah Herzsprung) und Tochter einer frisch verlassenen Mutter (Iris Berben). Ebenfalls 2015 gehörte Herfurth zum Ensemble der Fantasy-Komödie "Die Gespensterjäger - Auf eisiger Spur" und wirkte in den Fortsetzungsfilmen "Rico, Oskar und das Herzgebreche", erneut als Mutter Ricos, und "Fack Ju Göhte 2", erneut als Lehrerin, mit.

Nachdem einem weiteren Auftritt als Ricos Mutter in "Rico, Oskar und der Diebstahlstein" nahm Herfurth ihr eigenes Langfilmdebüt als Regisseurin in Angriff: Die romantische Komödie "SMS für dich", in der sie auch die Hauptrolle spielte, startete im Herbst 2016 in den Kinos und wurde von der Kritik wohlwollend aufgenommen. 2017 gehörte Herfurth zum Ensemble der von Amazon produzierten Thriller-Serie "You Are Wanted". Anfang 2018 sah man sie in der Titelrolle der Kinderbuchverfilmung "Die kleine Hexe". Außerdem gehörte sie als Geheimdienstmitarbeiterin zum Hauptensemble von Marco Kreuzpaintners Thriller-Serie "Beat" (2018).

Mit "Sweethearts" stellte Herfurth im Februar 2019 ihre zweite Regiearbeit vor. Die Mischung aus Gauner- und Romantikkomödie bekam positive Kritiken, konnte jedoch nicht an den Erfolg von "SMS für dich" anschließen. Im Herbst 2019 sah man Herfurth im prominenten Ensemble der kammerspielartigen Komödie "Das perfekte Geheimnis"; die Regie führte Bora Dagtekin, mit dem sie bereits die ersten zwei "Fack Ju Göhte"-Filme gedreht hatte.

Ein weiterer Erfolg bei Kritik und Publikum wurde Herfurths dritte Regiearbeit "Wunderschön" (2020 / Kinostart durch die Pandemie erst 2022), erneut mit ihr in einer Hauptrolle, in der sie mit warmherzigem Humor und Biss weibliche Rollenbilder reflektierte. Beim Deutschen Filmpreis 2022 wurde der Film als bester Spielfilm nominiert und gewann den Preis für die beste Filmmusik (Annette Focks).

Bei der Verleihung des Günter Rohrbach Filmpreises im November 2022 erhielt Herfurth den Preis des Saarländischen Rundfunks für ihre "Gesamtleistung" als Darstellerin, Co-Autorin, Regisseurin und Produzentin von "Wunderschön".

In derselben Personalunion realisierte Herfurth auch ihren nächsten Film, der aufgrund der oben erwähnten Verzögerung des Kinostarts von "Wunderschön" schon kurz darauf in die Kinos kam: "Einfach mal was Schönes" (2022) handelt von einer Frau, die alleine ein Kind bekommen will und sich dann überraschend in einen wesentlich jüngeren Mann verliebt – alles zum Unmut ihrer sich sperrenden Familie.